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

プリム法は最小全域木をどのように構築しますか？

  1. Aすべての辺を重みでソートし、森の中で閉路をつくる場合を除いて 1 本ずつ加える
  2. B開始頂点から 1 本の木を成長させ、木から出る最も安い辺を加える
  3. C閉路がなくなるまで最も高い辺を取り除く
  4. D幅優先探索を実行し、BFS 木を残す
2.アルゴリズムと計算量むずかしい

ナップサック問題のどの変種で、「重さあたりの価値の順に品物をとる」という貪欲な規則が常に最適解を与えますか？

  1. Aどちらの変種でもない
  2. B品物を分割できる分数ナップサック問題
  3. C品物を必ず丸ごととらなければならない 0/1 ナップサック問題
  4. D両方の変種
3.データ構造ふつう

AVL 木はすべてのノードでどのような平衡条件を保っていますか。

  1. Aすべてのノードの両方の部分木が、まったく同じ数のノードを含む
  2. Bすべてのノードが赤または黒に塗られている
  3. C左右の部分木の高さの差が高々 1 である
  4. Dすべての葉がちょうど同じ深さにある
4.データ構造むずかしい

二分探索木から 2 つの子を持つノードを削除するには、通常どうしますか。

  1. A中間順の後続ノード（または先行ノード）で置き換え、そのノードを削除する
  2. B部分木全体を削除する
  3. Cその下の部分木を一から作り直し、含まれていたすべてのキーを挿入し直す
  4. D根と入れ替える
5.グラフ理論ふつう

連結グラフに 15 個の頂点と 19 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| = 15|E| = 19
k =
6.グラフ理論むずかしい
3342106712ABCDEF

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 · 開始頂点から 1 本の木を成長させ、木から出る最も安い辺を加える

これが答えになる理由

木をまたぐ辺の優先度付きキューを用いるプリム法は、二分ヒープを使うと O(E log V) で動作します。

答え

B · 開始頂点から 1 本の木を成長させ、木から出る最も安い辺を加える
2.アルゴリズムと計算量

答え: B · 品物を分割できる分数ナップサック問題

これが答えになる理由

品物を分割できる場合は、比率の最もよいものから選ぶのが最適です。0/1 ナップサックでは比率の高い品物がよりよい組み合わせを妨げることがあるので、動的計画法が必要です。

答え

B · 品物を分割できる分数ナップサック問題
3.データ構造

答え: C · 左右の部分木の高さの差が高々 1 である

これが答えになる理由

平衡係数（左の高さ − 右の高さ）は −1、0、1 のいずれかでなければなりません。挿入と削除の後は回転によってこれを回復します。

答え

C · 左右の部分木の高さの差が高々 1 である
4.データ構造

答え: A · 中間順の後続ノード（または先行ノード）で置き換え、そのノードを削除する

これが答えになる理由

中間順の後続ノードは子を高々 1 つしか持たないため、そのキーを削除対象のノードにコピーした後、簡単に削除できます。

答え

A · 中間順の後続ノード（または先行ノード）で置き換え、そのノードを削除する
5.グラフ理論

答え: k = 5

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

15 − 1 = 14

取り除く辺

k = 19 − 14 = 5

答え

k = 5
6.グラフ理論

答え: d(F) = 12

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: 3
C (3): B: 6, E: 5
E (5): D: 15, F: 12
B (6): D: 10
D (10)
F (12)

最短経路

A → C → E → F
d(F) = 12

答え

d(F) = 12

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