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

ならし解析（amortised analysis）は何を測りますか？

  1. A操作列のどこかにある、最もコストの高い 1 回の操作のコスト
  2. Bランダムな入力に対する期待コスト
  3. C最良の入力に対するアルゴリズムのコスト
  4. D最悪の操作列にわたる操作 1 回あたりの平均コスト
2.アルゴリズムと計算量むずかしい

最後の 2 つの値だけを保持するループで n 番目のフィボナッチ数を計算する時間と領域のコストは何ですか？

  1. A時間 O(2ⁿ)、領域 O(1)
  2. B時間 O(log n)、領域 O(n)
  3. C時間 O(n)、領域 O(1)
  4. D時間 O(n)、領域 O(n)
3.データ構造ふつう

固定のアルファベットをもつトライで、長さ L の単語を探索するのにどれだけ時間がかかりますか。

  1. A単語の数を n として O(log n)
  2. B単語の数を n として O(n)
  3. C格納されている単語の数に関係なく O(L)
  4. DO(L × n)
4.データ構造むずかしい

AVL 木にキーを挿入すると、あるノードの左部分木が高くなりすぎました。新しいキーはその左の子の左部分木に入りました（左左の場合）。どのような修正が適用されますか。

  1. A平衡が崩れたノードで 1 回の右回転
  2. B子で左回転し、次にそのノードで右回転
  3. Cそのノードとその子の色を塗り替える
  4. D平衡が崩れたノードで 1 回の左回転
5.グラフ理論ふつう

連結グラフに 17 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| = 17|E| = 17
k =
6.グラフ理論むずかしい
11173981021144ABCDEFG

重み付きグラフの最小全域木の重みの合計 W を求めてください。

|V| = 7|E| = 10
W =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: D · 最悪の操作列にわたる操作 1 回あたりの平均コスト

これが答えになる理由

ならし解析は、まれな高コストの操作のコストを多数の低コストの操作に分散させ、どの操作列に対しても保証された平均を与えます。

答え

D · 最悪の操作列にわたる操作 1 回あたりの平均コスト
2.アルゴリズムと計算量

答え: C · 時間 O(n)、領域 O(1)

これが答えになる理由

各ステップに必要なのは直前の 2 つの値だけなので、ボトムアップ法の表を 2 つの変数で置き換えることができます。

答え

C · 時間 O(n)、領域 O(1)
3.データ構造

答え: C · 格納されている単語の数に関係なく O(L)

これが答えになる理由

各文字が 1 つの子を選ぶので、トライにいくつの単語が含まれていても、検索は L ステップで済みます。

答え

C · 格納されている単語の数に関係なく O(L)
4.データ構造

答え: A · 平衡が崩れたノードで 1 回の右回転

これが答えになる理由

左左の場合は、1 回の右回転で左の子が持ち上がり、平衡が回復します。ジグザグの場合は二重回転が必要です。

答え

A · 平衡が崩れたノードで 1 回の右回転
5.グラフ理論

答え: k = 1

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

17 − 1 = 16

取り除く辺

k = 17 − 16 = 1

答え

k = 1
6.グラフ理論

答え: W = 34

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。

クラスカル法

GC (1): 取る
GB (2): 取る
CE (3): 取る
GE (4): 飛ばす（閉路ができる）
DF (8): 取る
DE (9): 取る
EF (10): 飛ばす（閉路ができる）
AC (11): 取る

重みの合計

W = 1 + 2 + 3 + 8 + 9 + 11 = 34

答え

W = 34

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