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
  2. Bすべての部分問題が同じサイズである
  3. C問題を定数時間で解ける
  4. D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むずかしい

ヘルド－カープの動的計画法アルゴリズムは巡回セールスマン問題を厳密に解きます。n 都市に対する実行時間は何ですか？

  1. AO(n³)
  2. BO(n!)
  3. CO(n² 2ⁿ)
  4. DO(2n²)
3.データ構造ふつう

高さを辺の数で数えるとき、高さ h の完全（perfect）二分木にはいくつのノードがありますか。

  1. A2h
  2. Bh2
  3. C2h + 1
  4. D2h+1 − 1
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値の降順にインデックスを保持するデック
  2. Bずらすことで更新するソート済み配列
  3. Cウィンドウの要素の単方向連結リスト
  4. Dウィンドウごとに作り直す最小ヒープ
5.グラフ理論ふつう

木に 次数 3 の頂点が 2 個, 次数 4 の頂点が 4 個, 次数 2 の頂点が 4 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 34 × deg 44 × deg 2
L =
6.グラフ理論むずかしい
114121159674ABCDEF

ダイクストラ法を使って、重み付きグラフで A から E までの最短経路の長さd(E)を求めてください。

始点：A終点：E
d(E) =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: D · 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

D · 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: C · O(n² 2ⁿ)

これが答えになる理由

状態は約 n 2ⁿ 個あり、それぞれ O(n) で計算されます。これは指数時間ですが、(n − 1)! 通りの巡回路をすべて試すよりはるかに速いです。

答え

C · O(n² 2ⁿ)
3.データ構造

答え: D · 2h+1 − 1

これが答えになる理由

1 + 2 + 4 + ... + 2h を合計すると 2h+1 − 1 になります。たとえば高さ 2 では 7 個のノードです。

答え

D · 2h+1 − 1
4.データ構造

答え: A · 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

A · 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: 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 + 30 = 2(L + 10) − 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: d(E) = 5

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: 1, C: 14
B (1): C: 13, D: 2, E: 5
D (2): F: 8
E (5)
F (8)
C (13)

最短経路

A → B → E
d(E) = 5

答え

d(E) = 5

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