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

素朴な再帰によるフィボナッチ(fib(n) = fib(n−1) + fib(n−2))の時間計算量はどれですか?

  1. A定数時間
  2. B指数時間
  3. C線形時間
  4. D対数時間
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(log n)
  2. BO(n²)
  3. CO(n)
  4. DO(n log n)
3.データ構造ふつう

オープンアドレス法を使うハッシュテーブルで、負荷率の最大値はいくつですか。

  1. A2
  2. B0.5
  3. C最大値はない
  4. D1
4.データ構造むずかしい

データベースやファイルシステムで B 木が使われるのはなぜですか。

  1. A分岐数が大きいため木が浅く保たれ、遅いディスク読み込みが減るから
  2. Bデータをソートせずに格納するから
  3. C再平衡化が不要だから
  4. Dどの配列よりもメモリ使用量が少ないので、索引全体が常に主記憶に収まるから
5.グラフ理論ふつう

連結グラフに 18 個の頂点と 23 本の辺があります。全域木にするには、辺を何本k取り除く必要がありますか?

|V| = 18|E| = 23
k =
6.グラフ理論むずかしい
61411314714811ABCDEFG

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: B · 指数時間

これが答えになる理由

呼び出し木はおよそ φⁿ(約 1.618ⁿ)のように増加します。メモ化によって O(n) に減らせます。

答え

B · 指数時間
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: D · 1

これが答えになる理由

オープンアドレス法ではすべてのキーがテーブル自体に格納されるので、n は m を超えられません。チェイン法では負荷率が 1 を超えることがあります。

答え

D · 1
4.データ構造

答え: A · 分岐数が大きいため木が浅く保たれ、遅いディスク読み込みが減るから

これが答えになる理由

B 木は 1 つのノードに多くのキーを格納するため高さが小さく、1 回の検索に必要なブロック読み込みが少なくて済みます。B+ 木はさらに範囲走査のために葉同士をつなぎます。

答え

A · 分岐数が大きいため木が浅く保たれ、遅いディスク読み込みが減るから
5.グラフ理論

答え: k = 6

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。

全域木の辺

18 − 1 = 17

取り除く辺

k = 23 − 17 = 6

答え

k = 6
6.グラフ理論

答え: d(F) = 18

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: 6, C: 14
B (6): D: 17, G: 10
G (10): E: 21
C (14): E: 17
D (17): F: 24
E (17): F: 18
F (18)

最短経路

A → C → E → F
d(F) = 18

答え

d(F) = 18

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