データ構造とアルゴリズム:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、6 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

グラフ理論

握手補題
Σ deg(v) = 2|E|
完全グラフ
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
正則グラフ
|E| = n·k/2
木と森
|E| = n − 1, |E| = n − c
木の葉
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
オイラー
閉路:すべての次数が偶数; 路:奇数次数がちょうど 2 つ
Kn のハミルトン閉路
(n − 1)!/2
ダイクストラ法の更新
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
長さ L の歩道
(Mᴸ)ij

解き方

  1. 各頂点の次数を書き出します。次数の総和は辺の数の 2 倍になります。
  2. オイラーの問題では、グラフが連結であることを確かめ、奇数次数の頂点を数えます。
  3. 木では、辺が n − 1 本であることと握手補題を使います。
  4. ダイクストラ法では、暫定距離の表をつくり、毎回、未確定の頂点のうち最小のものを確定します。
  5. 最小全域木では、辺を重みの順に並べ、閉路をつくる辺を飛ばす方法(クラスカル法)か、始点から 1 本の木を成長させる方法(プリム法)を使います。

2演習問題

1.アルゴリズムと計算量ふつう

単純な再帰の階乗関数 fact(n) = n × fact(n − 1) はどれだけのスタック領域を使いますか?

  1. AO(1)
  2. BO(log n)
  3. CO(n²)
  4. DO(n)
2.アルゴリズムと計算量むずかしい

n 個の未ソート要素からボトムアップ法で二分ヒープを構築する時間計算量は何ですか?

  1. AO(n²)
  2. BO(n log n)
  3. CO(n)
  4. DO(log n)
3.データ構造ふつう

AVL 木と赤黒木が保証するものは何ですか。

  1. A再平衡化による O(log n) の高さ
  2. B2 つの子を持つノードが存在しないこと
  3. Cキーが挿入順に格納されること
  4. Dどの場合でも定数時間での探索
4.データ構造むずかしい

すべての B 木を完全に平衡に保っている性質はどれですか。

  1. Aキーは根にだけ格納される
  2. B各ノードは 1 つのキーを格納する
  3. Cすべてのノードがちょうど 2 つの子をもつ
  4. Dすべての葉が同じ深さにある
5.グラフ理論ふつう

木に 次数 3 の頂点が 4 個, 次数 4 の頂点が 2 個, 次数 5 の頂点が 3 個 があり、ほかのすべての頂点は葉(次数 1)です。葉は何枚Lありますか?

4 × deg 32 × deg 43 × deg 5
L =
6.グラフ理論むずかしい
2109134151013ABCDEF

ダイクストラ法を使って、重み付きグラフで A から F までの最短経路の長さd(F)を求めてください。

始点:A終点:F
d(F) =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: D · O(n)

これが答えになる理由

どれかが戻る前に再帰は n 段の深さになり、各呼び出しにスタックフレームが必要なので、O(n) の領域を使います。

答え

D · O(n)
2.アルゴリズムと計算量

答え: C · O(n)

これが答えになる理由

各段の sift-down のコストを合計すると収束する級数になるため、heapify は線形時間で実行されます。

答え

C · O(n)
3.データ構造

答え: A · 再平衡化による O(log n) の高さ

これが答えになる理由

自己平衡木は高さを対数オーダーに保つため、探索・挿入・削除は最悪の場合でも O(log n) です。

答え

A · 再平衡化による O(log n) の高さ
4.データ構造

答え: D · すべての葉が同じ深さにある

これが答えになる理由

ノードは満杯になると上に向かって分割され、木が高くなるのは根が分割されたときだけなので、すべての葉は常に同じレベルにとどまります。

答え

D · すべての葉が同じ深さにある
5.グラフ理論

答え: L = 19

オイラー、ハミルトン、木:連結グラフは、すべての頂点の次数が偶数のときオイラー閉路(すべての辺を 1 回ずつ通って始点に戻る)をもち、ちょうど 2 つの頂点の次数が奇数のとき、閉路でないオイラー路をもちます。その路は、一方の奇数次数の頂点から他方へ通ります。ハミルトン閉路はすべての頂点を 1 回ずつ訪れ、Kn には (n − 1)!/2 個あります。n 個の頂点をもつ木には n − 1 本の辺があり、m 本の辺をもつ連結グラフは、m − n + 1 本の辺を取り除いても全域木が残ります。

木の握手補題

L + 35 = 2(L + 9) − 2
L = 19

答え

L = 19

近道:次数 d ≥ 3 の頂点について L = 2 + Σ (d − 2) です。

6.グラフ理論

答え: d(F) = 25

最短経路と全域木:ダイクストラ法は毎ラウンド 1 つの頂点を確定します:暫定距離が最小の未確定の頂点です。その距離は最終となり、各隣接頂点 v は d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)) と更新されます。クラスカル法は、辺を軽い順に取り、閉路をつくる辺を飛ばして最小全域木をつくります。プリム法は、始点から 1 本の木を成長させ、その木から出る最も軽い辺を常に加えます。n 個の頂点の全域木には n − 1 本の辺があります。

ダイクストラ法をラウンドごとに

各行:確定した頂点、その最終距離、距離が改善される隣接頂点。

A (0): C: 2
C (2): B: 12, E: 15
B (12): D: 21
E (15): D: 19, F: 25
D (19)
F (25)

最短経路

A → C → E → F
d(F) = 25

答え

d(F) = 25

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