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

ワーシャル－フロイド法は何を、どれくらいの速さで計算しますか？

  1. A最小全域木を O(E log V) で
  2. Bトポロジカル順序を O(V²) で
  3. Cすべての頂点対の間の最短経路を O(V³) で
  4. D1 つの始点から他のすべての頂点への最短経路を O(V + E) で
2.アルゴリズムと計算量むずかしい

ハッシュテーブルの平均探索時間が O(1) なのに、最悪の場合は O(n) になるのはなぜですか？

  1. Aハッシュ関数が遅いから
  2. B配列のアクセスが O(n) だから
  3. C多くのキーが同じバケットで衝突（collision）する可能性があるから
  4. Dキーを先にソートする必要があるから
3.データ構造ふつう

二分ヒープに新しい要素はどのように挿入されますか。

  1. Aヒープ全体を一から作り直す
  2. B根に置き、下へ移動させる（sift down）
  3. C配列の末尾に置き、ヒープ性に反している間は上へ移動させる（sift up）
  4. Dより大きい要素をすべて 1 つ右にずらして、ソートされた位置に挿入する
4.データ構造むずかしい

セグメント木は一般的に何に使われますか。

  1. A各接頭辞を別々の木のノードに格納することで、文字列をアルファベット順にソートする
  2. Bグラフの辺を格納する
  3. C区間クエリ（区間和など）と更新を O(log n) で処理する
  4. Dスタックを実装する
5.グラフ理論ふつう

木に 次数 3 の頂点が 2 個, 次数 4 の頂点が 4 個, 次数 2 の頂点が 4 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？

2 × deg 34 × deg 44 × deg 2
L =
6.グラフ理論むずかしい
91510133114156ABCDEF

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

始点：A終点：D
d(D) =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: C · すべての頂点対の間の最短経路を O(V³) で

これが答えになる理由

ワーシャル－フロイド法は、各頂点を順に中継点として許していく動的計画法のアルゴリズムで、O(V³) 時間を使います。

答え

C · すべての頂点対の間の最短経路を O(V³) で
2.アルゴリズムと計算量

答え: C · 多くのキーが同じバケットで衝突（collision）する可能性があるから

これが答えになる理由

良いハッシュ関数と負荷率（load factor）であれば、バケットは平均して短く保たれます。悪意のある入力や質の悪いハッシュでは、すべてのキーが一つのバケットに入ることがあります。

答え

C · 多くのキーが同じバケットで衝突（collision）する可能性があるから
3.データ構造

答え: C · 配列の末尾に置き、ヒープ性に反している間は上へ移動させる（sift up）

これが答えになる理由

末尾に追加することで木は完全なまま保たれ、親との交換によって O(log n) ステップで順序が回復します。

答え

C · 配列の末尾に置き、ヒープ性に反している間は上へ移動させる（sift up）
4.データ構造

答え: C · 区間クエリ（区間和など）と更新を O(log n) で処理する

これが答えになる理由

セグメント木は区間ごとの集約値を格納し、区間クエリと一点更新を O(log n) 時間で行えます。

答え

C · 区間クエリ（区間和など）と更新を O(log n) で処理する
5.グラフ理論

答え: L = 12

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 + 30 = 2(L + 10) − 2
L = 12

答え

L = 12

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(D) = 16

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): B: 9, C: 15
B (9): D: 22, E: 15
C (15)
E (15): D: 16, F: 30
D (16)
F (30)

最短経路

A → B → E → D
d(D) = 16

答え

d(D) = 16

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