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

単純な再帰の階乗関数 fact(n) = n × fact(n − 1) はどれだけのスタック領域を使いますか？

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

一部の辺の重みが負のとき、ダイクストラ法が誤った結果を出すことがあるのはなぜですか？

  1. A頂点は取り出された時点で確定するが、後の負の辺によってより短い経路が得られる可能性があるから
  2. B負の辺があるたびに無限ループに陥るから
  3. C負の数は優先度付きキューに格納できないから
  4. D無向グラフでしか動作しないから
3.データ構造ふつう

オープンアドレス法を使うハッシュテーブルで、負荷率の最大値はいくつですか。

  1. A0.5
  2. B2
  3. C1
  4. D最大値はない
4.データ構造むずかしい

二分探索木から 2 つの子を持つノードを削除するには、通常どうしますか。

  1. A部分木全体を削除する
  2. Bその下の部分木を一から作り直し、含まれていたすべてのキーを挿入し直す
  3. C根と入れ替える
  4. D中間順の後続ノード（または先行ノード）で置き換え、そのノードを削除する
5.グラフ理論ふつう

木に 次数 3 の頂点が 3 個, 次数 4 の頂点が 2 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 32 × deg 4
L =
6.グラフ理論むずかしい
1514182011048167ABCDEFG

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: C · O(n)

これが答えになる理由

どれかが戻る前に再帰は n 段の深さになり、各呼び出しにスタックフレームが必要なので、O(n) の領域を使います。

答え

C · O(n)
2.アルゴリズムと計算量

答え: A · 頂点は取り出された時点で確定するが、後の負の辺によってより短い経路が得られる可能性があるから

これが答えになる理由

貪欲なステップは、取り出した距離が確定するように重みが非負であることに依存しています。重みが負になりうる場合はベルマン－フォード法を使います。

答え

A · 頂点は取り出された時点で確定するが、後の負の辺によってより短い経路が得られる可能性があるから
3.データ構造

答え: C · 1

これが答えになる理由

オープンアドレス法ではすべてのキーがテーブル自体に格納されるので、n は m を超えられません。チェイン法では負荷率が 1 を超えることがあります。

答え

C · 1
4.データ構造

答え: D · 中間順の後続ノード（または先行ノード）で置き換え、そのノードを削除する

これが答えになる理由

中間順の後続ノードは子を高々 1 つしか持たないため、そのキーを削除対象のノードにコピーした後、簡単に削除できます。

答え

D · 中間順の後続ノード（または先行ノード）で置き換え、そのノードを削除する
5.グラフ理論

答え: L = 9

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 + 17 = 2(L + 5) − 2
L = 9

答え

L = 9

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: W = 45

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

DF (1): 取る
GB (4): 取る
GE (7): 取る
GC (8): 取る
EF (10): 取る
BC (14): 飛ばす（閉路ができる）
AC (15): 取る

重みの合計

W = 1 + 4 + 7 + 8 + 10 + 15 = 45

答え

W = 45

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