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

貪欲法（greedy algorithm）の説明として正しいものはどれですか？

  1. A常に最適解を与える
  2. B各ステップで局所的に最良の選択をする
  3. C可能なすべての解を試す
  4. D再帰のみを使用する
2.アルゴリズムと計算量むずかしい

どんな入力に対してもクイックソートの期待（expected）実行時間を O(n log n) にする手法はどれですか？

  1. Aピボットを一様ランダムに選ぶ
  2. Bクイックソートを実行する前に入力をソートする
  3. C左側にのみ再帰を使う
  4. D常に先頭の要素を選ぶ
3.データ構造ふつう

n 要素の配列の中央に要素を挿入するコストはどれですか。

  1. A二分探索のため O(log n)
  2. Bインデックスがわかっているので O(1)
  3. C各要素が n 回移動するので O(n²)
  4. D後ろの要素をずらさなければならないので O(n)
4.データ構造むずかしい

あるオブジェクトをハッシュマップのキーとして格納した後、そのハッシュ関数で使われるフィールドを変更しました。起こりうる結果はどれですか。

  1. Aフィールドが変更された瞬間にマップがエラーを投げる
  2. Bマップが自動的にキーを新しいバケットに移す
  3. Cキーのハッシュはプログラムの開始時に 1 回しか計算されないので、何も変わらない
  4. Dオブジェクトは古いハッシュのバケットにあるので、検索に失敗することがある
5.グラフ理論ふつう

完全グラフ K5 には、異なるハミルトン閉路が何個Hありますか？ 始点や向きだけが異なる閉路は同じものとして数えます。

K5
H =
6.グラフ理論むずかしい
1065111715923ABCDEFG

クラスカル法は最小全域木をつくります。それが 5 番目に加える辺をクリックしてください。飛ばされた辺は数えません。

k = 5
  1. 1辺 AB
  2. 2辺 AC
  3. 3辺 BC
  4. 4辺 BD
  5. 5辺 CE
  6. 6辺 DE
  7. 7辺 EF
  8. 8辺 GB
  9. 9辺 GE

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: B · 各ステップで局所的に最良の選択をする

これが答えになる理由

貪欲法は高速で、一部の問題（例：Dijkstra、Huffman 符号化）では最適ですが、一般にはそうではありません（例：ある硬貨体系での両替問題）。

答え

B · 各ステップで局所的に最良の選択をする
2.アルゴリズムと計算量

答え: A · ピボットを一様ランダムに選ぶ

これが答えになる理由

ランダムなピボットを使うと、すべての入力に対して期待実行時間は O(n log n) になります。悪いケースは依然として存在しますが、起こる確率は非常に低くなります。

答え

A · ピボットを一様ランダムに選ぶ
3.データ構造

答え: D · 後ろの要素をずらさなければならないので O(n)

これが答えになる理由

挿入位置より後のすべての要素が 1 つ右に移動するので、n に比例する時間がかかります。

答え

D · 後ろの要素をずらさなければならないので O(n)
4.データ構造

答え: D · オブジェクトは古いハッシュのバケットにあるので、検索に失敗することがある

これが答えになる理由

キーの位置は古いハッシュから選ばれました。新しいハッシュでは検索は誤ったバケットを探すので、キーは不変（immutable）であるべきです。

答え

D · オブジェクトは古いハッシュのバケットにあるので、検索に失敗することがある
5.グラフ理論

答え: H = 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。

数える

H = (5 − 1)!/2 = 24/2 = 12

答え

H = 12
6.グラフ理論

答え: 辺 EF

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

1. GB (2)
2. GE (3)
3. BC (5)
4. AC (6)
5. EF (9)
6. BD (11)

辺の番号 5

EF

答え

辺 EF

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