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

ワーシャル－フロイド法は何を、どれくらいの速さで計算しますか？

A最小全域木を O(E log V) で
Bすべての頂点対の間の最短経路を O(V³) で
C1 つの始点から他のすべての頂点への最短経路を O(V + E) で
Dトポロジカル順序を O(V²) で

2.アルゴリズムと計算量むずかしい

カラツバ乗算は T(n) = 3T(n/2) + O(n) を満たします。この解は何ですか？

AΘ(n log n)
BΘ(n²)
CΘ(n³)
DΘ(n^{log₂ 3})、約 n^1.585

3.データ構造ふつう

配列に格納された二分最小ヒープ（インデックスは 0 から）において、インデックス i のノードの子はどこにありますか。

Ai/2 と i/2 + 1
B2i + 1 と 2i + 2
Ci + 1 と i + 2
D2i と 2i + 1

4.データ構造むずかしい

データベースがインデックスに通常の B 木ではなく B+ 木をよく使うのはなぜですか。

Aすべてのレコードが連結された葉にあるので、範囲の走査が効率的になるから
BB+ 木は二分の内部ノードを使うので、ディスクの読み取りが減るから
CB+ 木はデータを根にだけ格納するから
DB+ 木は平衡を保つ必要がないから

5.グラフ理論ふつう

連結グラフに 14 個の頂点と 25 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| = 14|E| = 25

k =

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 D までの最短経路の長さd(D)を求めてください。

始点：A終点：D

d(D) =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: B · すべての頂点対の間の最短経路を O(V³) で

これが答えになる理由

ワーシャル－フロイド法は、各頂点を順に中継点として許していく動的計画法のアルゴリズムで、O(V³) 時間を使います。

答え

B · すべての頂点対の間の最短経路を O(V³) で

2.アルゴリズムと計算量

答え: D · Θ(n^{log₂ 3})、約 n^1.585

これが答えになる理由

log₂ 3 ≈ 1.585 > 1 なので、マスター定理により葉が支配的となり、O(n²) の筆算の方法より優れています。

答え

D · Θ(n^{log₂ 3})、約 n^1.585

3.データ構造

答え: B · 2i + 1 と 2i + 2

これが答えになる理由

0 始まりの配列では、左の子は 2i + 1、右の子は 2i + 2、親は ⌊(i − 1)/2⌋ にあります。

答え

B · 2i + 1 と 2i + 2

4.データ構造

答え: A · すべてのレコードが連結された葉にあるので、範囲の走査が効率的になるから

これが答えになる理由

B+ 木では内部ノードは探索を導くだけで、葉はキーの順に連結されているので、範囲クエリは最初のキーを見つけた後、葉に沿って進みます。

答え

A · すべてのレコードが連結された葉にあるので、範囲の走査が効率的になるから

5.グラフ理論

答え: k = 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、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。

全域木の辺

14 − 1 = 13

取り除く辺

k = 25 − 13 = 12

答え

k = 12

6.グラフ理論

答え: d(D) = 17

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: 9, C: 15

B (9): D: 17

C (15): G: 26

D (17): E: 26, G: 20

G (20)

E (26): F: 27

F (27)

最短経路

A → B → D

d(D) = 17

答え

d(D) = 17

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