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

ある関数は n 回反復するループを 1 つ実行し、その後別に n 回反復するループをもう 1 つ実行します。時間計算量は何ですか？

  1. AO(log n)
  2. BO(2ⁿ)
  3. CO(n²)
  4. DO(n)
2.アルゴリズムと計算量むずかしい

挿入ソートはソート済みの入力に対して O(n) で動作します。これは比較ソートの Ω(n log n) の下界と矛盾しますか？

  1. Aいいえ。下界はすべての入力にわたる最悪の場合に適用されるのであって、すべての入力に適用されるわけではない
  2. Bはい。ただし 100 より短い配列の場合に限る
  3. Cはい。したがって下界は誤りである
  4. Dいいえ。挿入ソートは比較ソートではないから
3.データ構造ふつう

実行中のプログラムが、有効な関数呼び出しとそのローカル変数を管理するために使うデータ構造はどれですか。

  1. Aコールスタック
  2. Bフレームの二分探索木
  3. Cヒープメモリのキュー
  4. D関数のハッシュテーブル
4.データ構造むずかしい

配列のサイズ k のすべてのウィンドウの最大値を合計 O(n) で計算できる構造はどれですか。

  1. Aずらすことで更新するソート済み配列
  2. Bウィンドウごとに作り直す最小ヒープ
  3. Cウィンドウの要素の単方向連結リスト
  4. D値の降順にインデックスを保持するデック
5.グラフ理論ふつう

連結グラフに 12 個の頂点と 16 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| = 12|E| = 16
k =
6.グラフ理論むずかしい
54131310511167ABCDEFG

ダイクストラ法を A から実行します。ラウンド 3 で確定する（永続になる）頂点をクリックしてください。A 自身がラウンド 1 です。

始点：Aラウンド 3
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
  7. 7G

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: D · O(n)

これが答えになる理由

n + n = 2n で、定数倍は取り除かれるので、この関数は O(n) です。

答え

D · O(n)
2.アルゴリズムと計算量

答え: A · いいえ。下界はすべての入力にわたる最悪の場合に適用されるのであって、すべての入力に適用されるわけではない

これが答えになる理由

この下界は、どの比較ソートもサイズ n のある入力に対して約 n log n 回の比較を必要とすることを述べています。特別な入力ではずっと速くなりえます。

答え

A · いいえ。下界はすべての入力にわたる最悪の場合に適用されるのであって、すべての入力に適用されるわけではない
3.データ構造

答え: A · コールスタック

これが答えになる理由

各呼び出しはスタックフレームを push し、各リターンはそれを pop します。そのため最も新しい呼び出しが最初に終了します。

答え

A · コールスタック
4.データ構造

答え: D · 値の降順にインデックスを保持するデック

これが答えになる理由

デックの先頭は常にウィンドウの最大値です。各インデックスはデックに 1 回入って 1 回出るので、作業量は線形です。

答え

D · 値の降順にインデックスを保持するデック
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

12 − 1 = 11

取り除く辺

k = 16 − 11 = 5

答え

k = 5
6.グラフ理論

答え: B

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

1. A (0): B: 5, C: 4
2. C (4): G: 10
3. B (5): D: 18, G: 6
4. G (6): D: 13
5. D (13): E: 23, F: 18
6. F (18)
7. E (23)

ラウンド 3

B

答え

B

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