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(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,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
K_n 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

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。
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。
木では、辺が n − 1 本であることと握手補題を使います。
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。
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

動的計画法（dynamic programming）が有効なのは、問題が次の性質を持つときです。

A部分問題がまったくないので、1 ステップで解ける
B重複する部分問題と最適部分構造
Cループが一つだけ
Dランダムな入力のみ

2.アルゴリズムと計算量むずかしい

新しい問題 X が NP 困難であることを示すには、何をしなければなりませんか？

AX には小さな入力に対する多項式アルゴリズムがないことを示す
BX を多項式時間で検証できることを示す
CX を多項式時間で既知の NP 困難な問題に帰着させる
D既知の NP 困難な問題を多項式時間で X に帰着させる

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。

AO(1)
BO(n log n)
CO(n)
DO(log n)

4.データ構造むずかしい

赤黒木の規則は、n 個のキーをもつ木の高さについてどのような保証を与えますか。

A高さは高々 2 log₂(n + 1) である
B高さは高々 log₂ n + 1 である
C高さは高々 n / 2 である
D高さはちょうど log₂ n である

5.グラフ理論ふつう

完全グラフ K₄ には、異なるハミルトン閉路が何個Hありますか？始点や向きだけが異なる閉路は同じものとして数えます。

K₄

H =

6.グラフ理論むずかしい

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 · 重複する部分問題と最適部分構造

これが答えになる理由

重複する部分問題の結果を保存する（メモ化または表計算）ことで繰り返しの処理を避け、指数時間のアルゴリズムを多項式時間に変えられます。

答え

B · 重複する部分問題と最適部分構造

2.アルゴリズムと計算量

答え: D · 既知の NP 困難な問題を多項式時間で X に帰着させる

これが答えになる理由

既知の困難な問題を効率よく X に変換できれば、X に対する高速なアルゴリズムは既知の問題も解くことになります。

答え

D · 既知の NP 困難な問題を多項式時間で X に帰着させる

3.データ構造

答え: D · 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

D · O(log n)

4.データ構造

答え: A · 高さは高々 2 log₂(n + 1) である

これが答えになる理由

すべての経路は同じ数の黒ノードをもち、赤ノードは隣り合えないので、最長の経路は最短の経路の高々 2 倍となり、高さは O(log n) になります。

答え

A · 高さは高々 2 log₂(n + 1) である

5.グラフ理論

答え: H = 3

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、K_n 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。

数える

H = (4 − 1)!/2 = 6/2 = 3

答え

H = 3

6.グラフ理論

答え: d(F) = 26

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: 3

C (3): E: 12

B (6): G: 16

E (12): D: 26, F: 26

G (16)

D (26)

F (26)

最短経路

A → C → E → F

d(F) = 26

答え

d(F) = 26

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