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

O(log n) のように、Big O で対数の底が通常省略されるのはなぜですか？

  1. A底の異なる対数は定数倍しか違わないから
  2. B計算機科学のすべての対数は底が 10 なので、省略されているから
  3. C対数は常に整数に丸められるから
  4. D底は n が小さいときにしか問題にならないから
2.アルゴリズムと計算量むずかしい

閉路を作らない最も安い辺を繰り返し追加して最小全域木を求めるアルゴリズムはどれですか？

  1. ADijkstra 法
  2. BKruskal 法
  3. CFloyd–Warshall
  4. D一つのノードから始める Prim 法
3.データ構造ふつう

平衡二分探索木でキーを探索する時間計算量はどれですか。

  1. AO(log n)
  2. BO(1)
  3. CO(n log n)
  4. DO(n)
4.データ構造むずかしい

ブルームフィルタは「この要素は集合に含まれるか」という問いにどのように答えますか。

  1. A偽陰性はあり得るが、偽陽性はない
  2. B数値に対してのみ答えられる
  3. C偽陽性はあり得るが、偽陰性はない
  4. D常に正確な答えを返す
5.グラフ理論ふつう

木に 次数 3 の頂点が 4 個, 次数 5 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？

4 × deg 32 × deg 5
L =
6.グラフ理論むずかしい
10523112128813915ABCDEFG

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

始点：A終点：G
d(G) =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: A · 底の異なる対数は定数倍しか違わないから

これが答えになる理由

底を変えると対数は定数倍されるだけで、Big O は定数倍を無視します。

答え

A · 底の異なる対数は定数倍しか違わないから
2.アルゴリズムと計算量

答え: B · Kruskal 法

これが答えになる理由

Kruskal は辺を重みの順にソートし、異なる連結成分をつなぐ辺を追加します。Prim は開始頂点から一つの木を成長させます。

答え

B · Kruskal 法
3.データ構造

答え: A · O(log n)

これが答えになる理由

平衡木の高さは約 log₂ n なので、探索は根から葉への 1 本の経路をたどるだけです。

答え

A · O(log n)
4.データ構造

答え: C · 偽陽性はあり得るが、偽陰性はない

これが答えになる理由

ある要素に対応するビットのどれかが 0 なら確実に存在せず、すべて 1 ならおそらく存在します。ブルームフィルタは精度と引き換えに非常に少ないメモリで済みます。

答え

C · 偽陽性はあり得るが、偽陰性はない
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 + 22 = 2(L + 6) − 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(G) = 15

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: 10, C: 5
C (5): B: 7, E: 16, G: 18
B (7): D: 10, G: 15
D (10): E: 12, F: 22
E (12): F: 20
G (15)
F (20)

最短経路

A → C → B → G
d(G) = 15

答え

d(G) = 15

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