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

漸化式 T(n) = 2T(n/2) + O(1) の解は何ですか？

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

for i = 1 to n: for (j = i; j ≤ n; j = j + i) do O(1) work の時間計算量は何ですか？

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

ある道路網には 100,000 の交差点があり、それぞれが約 4 つの他の交差点とつながっています。最も適した表現はどれですか。

  1. A隣接行列
  2. B隣接リスト
  3. C辺の二分ヒープ
  4. D頂点の 1 つのソート済み配列
4.データ構造むずかしい

スプレー木は各アクセスの後に何をしますか。

  1. Aアクセスしたノードを葉に移す
  2. B木全体を平衡な形に作り直す
  3. Cアクセスしたノードを根まで回転させて持ち上げる
  4. D探索経路上のノードの色を塗り替える
5.グラフ理論ふつう

木に 次数 3 の頂点が 3 個, 次数 2 の頂点が 3 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？

3 × deg 33 × deg 2
L =
6.グラフ理論むずかしい
ABCDEF

B を始点かつ終点とする、長さ 3 の閉じた歩道はいくつありますか？ 歩道では頂点や辺を繰り返してもかまいません。その数を N とします。

M = 隣接行列L = 3
N =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: C · O(n)

これが答えになる理由

マスター定理により nlog₂ 2 = n が定数の作業量より支配的なので、半分に分割して最大値を求める場合のように T(n) = Θ(n) です。

答え

C · O(n)
2.アルゴリズムと計算量

答え: A · O(n log n)

これが答えになる理由

合計は n / 1 + n / 2 + ... + n / n = n × Hn で、調和数 Hn は Θ(log n) です。

答え

A · O(n log n)
3.データ構造

答え: B · 隣接リスト

これが答えになる理由

行列では 1010 個のセルが必要になり、そのほとんどが空です。隣接リストなら約 400,000 個の辺の項目だけを格納すれば済みます。

答え

B · 隣接リスト
4.データ構造

答え: C · アクセスしたノードを根まで回転させて持ち上げる

これが答えになる理由

スプレー操作は回転によってアクセスしたノードを根に移します。1 回の操作に O(n) かかることもありますが、ならしコストは O(log n) です。

答え

C · アクセスしたノードを根まで回転させて持ち上げる
5.グラフ理論

答え: L = 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。

木の握手補題

L + 15 = 2(L + 6) − 2
L = 5

答え

L = 5

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: N = 4

次数：頂点の次数は、その頂点に接する辺の数です。どの辺にも端が 2 つあるので、次数の和は辺の数の 2 倍になります：Σ deg(v) = 2|E|（握手補題）。したがって、奇数次数の頂点の数は偶数です。Kn には n(n − 1)/2 本の辺があり、n 個の頂点をもつ k 正則グラフには nk/2 本、n 個の頂点をもつ木には n − 1 本の辺があります。

隣接行列

A: 0 1 0 0 0 0
B: 1 0 1 1 1 0
C: 0 1 0 0 1 0
D: 0 1 0 0 1 1
E: 0 1 1 1 0 1
F: 0 0 0 1 1 0

もう 1 歩

(M³)BB = 0·1 + 4·0 + 1·1 + 1·1 + 2·1 + 2·0 = 4

答え

N = 4

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