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

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。

  1. Aランダムな入力のみ
  2. B部分問題がまったくないので、1 ステップで解ける
  3. Cループが一つだけ
  4. D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

あるアプリケーションには高速な検索が必要で、さらにキーをソート順に一覧にしたり、範囲クエリに答えたりする必要もあります。最も適した構造はどれですか。

  1. A平衡二分探索木
  2. Bハッシュテーブル
  3. Cソートされていない連結リスト
  4. Dスタック
4.データ構造むずかしい

単純一様ハッシュの仮定の下で、n 個のキーと m 個のバケットをもつチェイン法のハッシュテーブルの探索の期待時間はどれですか。

  1. AO(log n)
  2. BO(m)
  3. Cα = n / m として O(1 + α)
  4. DO(n)
5.グラフ理論ふつう

木に 次数 4 の頂点が 2 個, 次数 5 の頂点が 2 個, 次数 2 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 42 × deg 52 × deg 2
L =
6.グラフ理論むずかしい
21841719815133ABCDEFG

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| = 7|E| = 9
W =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: D · 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

D · 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: 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 · 平衡二分探索木

これが答えになる理由

平衡 BST は O(log n) の検索を提供し、キーを順序づけて保つので、通りがけ順の走査や範囲クエリが容易です。ハッシュテーブルはキーをばらばらに配置します。

答え

A · 平衡二分探索木
4.データ構造

答え: C · α = n / m として O(1 + α)

これが答えになる理由

ハッシュの計算は O(1) で、チェインの期待される長さは α なので、サイズ変更によって α を有界に保てば期待 O(1) 時間になります。

答え

C · α = n / m として O(1 + α)
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: W = 49

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

AB (2): 取る
GE (3): 取る
BD (4): 取る
GB (8): 取る
GD (13): 飛ばす（閉路ができる）
GC (15): 取る
DF (17): 取る

重みの合計

W = 2 + 3 + 4 + 8 + 15 + 17 = 49

答え

W = 49

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