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可能なすべての解を試す
  2. B常に最適解を与える
  3. C再帰のみを使用する
  4. D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むずかしい

ある NP 完全問題に対する多項式時間アルゴリズムを誰かが見つけたら、何が導かれますか？

  1. ANP のすべての問題が多項式時間で解けることになり、P = NP となる
  2. Bすべての指数時間アルゴリズムがただちに線形時間で動くようになる
  3. Cその 1 つの問題だけが P に移る
  4. D停止問題が決定可能になる
3.データ構造ふつう

深さ優先探索（反復版）で使われるデータ構造はどれですか。

  1. Aスタック
  2. Bヒープ
  3. Cハッシュテーブルのみ
  4. Dキュー
4.データ構造むずかしい

ある動的配列は満杯になるとサイズを 2 倍にします。多くの実装が、半分ではなく 4 分の 1 まで減ったときにだけ縮小するのはなぜですか。

  1. A配列をソートされた状態に保つため
  2. B半分で半減させると要素が失われるから
  3. Cメモリアロケータはブロックの 4 分の 1 単位でしかメモリを解放できないから
  4. D境界付近で push と pop が交互に起こるときに、サイズ変更が繰り返されるのを避けるため
5.グラフ理論ふつう
ABCDEオイラー閉路オイラー路あり、閉路なしどちらでもない

この連結グラフには、オイラー閉路、閉路でないオイラー路、またはどちらもないのうち、どれがありますか？ 答えをクリックしてください。

|V| = 5|E| = 5
  1. 1オイラー閉路
  2. 2オイラー路あり、閉路なし
  3. 3どちらでもない
6.グラフ理論むずかしい
ABCDEF

A を始点かつ終点とする、長さ 2 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 = 2
N =

3溶液

1.アルゴリズムと計算量

答え: D · 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

D · 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 · NP のすべての問題が多項式時間で解けることになり、P = NP となる

これが答えになる理由

NP 全体がどの NP 完全問題にも多項式時間で帰着するので、1 つに対する高速なアルゴリズムはすべてに対する高速なアルゴリズムを与えます。

答え

A · NP のすべての問題が多項式時間で解けることになり、P = NP となる
3.データ構造

答え: A · スタック

これが答えになる理由

DFS はできるだけ深く探索するため、自然にスタック（または再帰の呼び出しスタック）を使います。BFS はキューを使います。

答え

A · スタック
4.データ構造

答え: D · 境界付近で push と pop が交互に起こるときに、サイズ変更が繰り返されるのを避けるため

これが答えになる理由

半分で縮小すると、そのような操作列では毎回の操作でサイズ変更が起こりえます。4 分の 1 と満杯の間の幅があることで、ならしコストが O(1) に保たれます。

答え

D · 境界付近で push と pop が交互に起こるときに、サイズ変更が繰り返されるのを避けるため
5.グラフ理論

答え: どちらでもない

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。

次数

deg(A) = 2, deg(B) = 3, deg(C) = 3, deg(D) = 1, deg(E) = 1

奇数次数の頂点

B, C, D, E → 4
どちらでもない

答え

どちらでもない
6.グラフ理論

答え: N = 2

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

共通の隣接頂点

(M²)AA = 0·0 + 1·1 + 1·1 + 0·0 + 0·0 + 0·0 = 2

答え

N = 2

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