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

問題が最適部分構造をもつとはどういう意味ですか？

  1. A問題を定数時間で解ける
  2. B問題の最適解がちょうど 1 つで、すべての部分問題がそれを共有しているから
  3. C最適解を部分問題の最適解から構成できる
  4. Dすべての部分問題が同じサイズである
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回路充足可能性問題
  2. B各節のリテラルがちょうど 3 個の 3-SAT
  3. C連言標準形の式に対する一般の SAT
  4. D各節のリテラルが高々 2 個の 2-SAT
3.データ構造ふつう

無向グラフの隣接行列について正しいのはどれですか。

  1. A主対角線に関して対称である
  2. B主対角線には常に 1 が入っている
  3. C常に上三角行列である
  4. D各行にちょうど 1 つの 1 がある
4.データ構造むずかしい

キー 5, 3, 8, 1 をこの順に、空の配列ベースの二分最小ヒープに挿入します。最終的な配列はどれですか。

  1. A[1, 5, 8, 3]
  2. B[3, 1, 8, 5]
  3. C[1, 3, 8, 5]
  4. D[1, 3, 5, 8]
5.グラフ理論ふつう

連結グラフに 13 個の頂点と 17 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| = 13|E| = 17
k =
6.グラフ理論むずかしい
65756151414ABCDEF

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: C · 最適解を部分問題の最適解から構成できる

これが答えになる理由

最適部分構造は、貪欲法と動的計画法のどちらが正しい答えを出すためにも必要です。

答え

C · 最適解を部分問題の最適解から構成できる
2.アルゴリズムと計算量

答え: D · 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

D · 各節のリテラルが高々 2 個の 2-SAT
3.データ構造

答え: A · 主対角線に関して対称である

これが答えになる理由

無向グラフでは辺 {u, v} は M[u][v] と M[v][u] の両方が設定されることを意味するので、行列はその転置と等しくなります。

答え

A · 主対角線に関して対称である
4.データ構造

答え: C · [1, 3, 8, 5]

これが答えになる理由

5, 3, 8 の後、配列は [3, 5, 8] です。1 はインデックス 3 に入り、親の 5 と、次に 3 と交換されて [1, 3, 8, 5] になります。

答え

C · [1, 3, 8, 5]
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

13 − 1 = 12

取り除く辺

k = 17 − 12 = 5

答え

k = 5
6.グラフ理論

答え: d(F) = 24

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: 5
C (5): E: 10
B (6): D: 13
E (10): F: 24
D (13)
F (24)

最短経路

A → C → E → F
d(F) = 24

答え

d(F) = 24

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