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

漸化式 T(n) = 2T(n/2) + O(n) の解はどれですか?

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

最短単純路は多項式時間で見つけられます。一般のグラフで 2 頂点間の最長単純路を見つけることについて、何が知られていますか?

  1. ANP 困難である
  2. B重みの符号を反転すればダイクストラ法で解ける
  3. C常に O(V + E) で解ける
  4. D決定不能である
3.データ構造ふつう

二分探索木で最小のキーはどのように見つけますか。

  1. A根から左の子がなくなるまで左の子をたどる
  2. B根から右の子がなくなるまで右の子をたどる
  3. C根だけを見る
  4. Dすべての葉を訪問して比べる
4.データ構造むずかしい

異なるキーをもつ二分木を常に一意に決定する走査の組はどれですか。

  1. Aレベル順だけ
  2. B行きがけ順と帰りがけ順
  3. C行きがけ順だけ
  4. D行きがけ順と通りがけ順
5.グラフ理論ふつう

木に 次数 3 の頂点が 2 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 3
L =
6.グラフ理論むずかしい
13151106411ABCDE

重み付きグラフの最小全域木の重みの合計 W を求めてください。

|V| = 5|E| = 7
W =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: D · O(n log n)

これが答えになる理由

マスター定理(master theorem)により(a = 2, b = 2, f(n) = n)、T(n) = Θ(n log n) です。

答え

D · O(n log n)
2.アルゴリズムと計算量

答え: A · NP 困難である

これが答えになる理由

長さ V − 1 の最長単純路はハミルトン路であり、これは NP 完全問題です。ただし有向非巡回グラフでは線形時間で解けます。

答え

A · NP 困難である
3.データ構造

答え: A · 根から左の子がなくなるまで左の子をたどる

これが答えになる理由

最も左のノードより小さいキーは木の中にないので、それが最小値です。コストは高さに比例します。

答え

A · 根から左の子がなくなるまで左の子をたどる
4.データ構造

答え: D · 行きがけ順と通りがけ順

これが答えになる理由

行きがけ順は根を与え、通りがけ順の系列におけるその位置が左右の部分木を分けます。行きがけ順と帰りがけ順の組は、子が 1 つだけのノードがあるとあいまいになります。

答え

D · 行きがけ順と通りがけ順
5.グラフ理論

答え: L = 4

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 + 6 = 2(L + 2) − 2
L = 4

答え

L = 4

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: W = 24

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。

クラスカル法

BC (1): 取る
DE (4): 取る
CE (6): 取る
BD (10): 飛ばす(閉路ができる)
BE (11): 飛ばす(閉路ができる)
AB (13): 取る

重みの合計

W = 1 + 4 + 6 + 13 = 24

答え

W = 24

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