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

1、3、4 の硬貨で金額 6 をつくるとき、貪欲な「最大の硬貨から」方式は最適解と比べて何枚の硬貨を使いますか？

  1. A貪欲法は 4 枚、最適解は 3 枚
  2. B貪欲法は 3 枚、最適解は 3 枚
  3. C貪欲法は 3 枚、最適解は 2 枚
  4. D貪欲法は 2 枚、最適解は 2 枚
2.アルゴリズムと計算量むずかしい

次の充足可能性問題のうち、多項式時間で解けることが知られているのはどれですか？

  1. A各節のリテラルがちょうど 3 個の 3-SAT
  2. B連言標準形の式に対する一般の SAT
  3. C各節のリテラルが高々 2 個の 2-SAT
  4. D回路充足可能性問題
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左右の部分木の高さの差が高々 1 である
  2. Bすべてのノードが赤または黒に塗られている
  3. C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
  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

n 個の数からなるストリームから、O(k) のメモリで最小の k 個の値を保持しなければなりません。O(n log k) 時間で動作する方法はどれですか。

  1. An 個すべての値を保持する最小ヒープで、最後に小さい方から k 個を取り出す
  2. Bサイズ k の最大ヒープを使い、より小さい値が来たら根を置き換える
  3. Cn 個すべての値のソート済み配列
  4. D最後の k 個の値の FIFO キュー
5.グラフ理論ふつう

連結グラフに 19 個の頂点と 20 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| = 19|E| = 20
k =
6.グラフ理論むずかしい
ABCDE

A から D への長さ 3 の歩道はいくつありますか？ 歩道では頂点や辺を繰り返してもかまいません。その数を N とします。

M = 隣接行列L = 3
N =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: C · 貪欲法は 3 枚、最適解は 2 枚

これが答えになる理由

貪欲法は 4 + 1 + 1 = 3 枚を使いますが、3 + 3 なら 2 枚で済むので、この硬貨体系では貪欲法は最適ではありません。動的計画法なら最適です。

答え

C · 貪欲法は 3 枚、最適解は 2 枚
2.アルゴリズムと計算量

答え: C · 各節のリテラルが高々 2 個の 2-SAT

これが答えになる理由

2-SAT は P に属します（強連結成分を用いて線形時間）。一方、3-SAT は NP 完全です。

答え

C · 各節のリテラルが高々 2 個の 2-SAT
3.データ構造

答え: A · 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

A · 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: B · サイズ k の最大ヒープを使い、より小さい値が来たら根を置き換える

これが答えになる理由

最大ヒープの根は保持している値の最大値です。それより小さい新しい値は O(log k) でそれと置き換わるので、ヒープは常にそれまでの最小の k 個を保持します。

答え

B · サイズ k の最大ヒープを使い、より小さい値が来たら根を置き換える
5.グラフ理論

答え: k = 2

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

19 − 1 = 18

取り除く辺

k = 20 − 18 = 2

答え

k = 2
6.グラフ理論

答え: N = 3

次数：頂点の次数は、その頂点に接する辺の数です。どの辺にも端が 2 つあるので、次数の和は辺の数の 2 倍になります：Σ deg(v) = 2|E|（握手補題）。したがって、奇数次数の頂点の数は偶数です。Kn には n(n − 1)/2 本の辺があり、n 個の頂点をもつ k 正則グラフには nk/2 本、n 個の頂点をもつ木には n − 1 本の辺があります。

隣接行列

A: 0 1 1 0 0
B: 1 0 1 1 1
C: 1 1 0 0 1
D: 0 1 0 0 1
E: 0 1 1 1 0

もう 1 歩

(M³)AD = 2·0 + 1·1 + 1·0 + 1·0 + 2·1 = 3

答え

N = 3

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