Estruturas de Dados e Algoritmos: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 6 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Teoria dos grafos

Lema do aperto de mãos
Σ deg(v) = 2|E|
Grafos completos
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Grafo regular
|E| = n·k/2
Árvore e floresta
|E| = n − 1, |E| = n − c
Folhas de uma árvore
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
circuito: todos os graus pares; caminho: exatamente 2 graus ímpares
Circuitos hamiltonianos em Kn
(n − 1)!/2
Atualização de Dijkstra
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Passeios de comprimento L
(Mᴸ)ij

Método

  1. Anote o grau de cada vértice; a soma dos graus é igual ao dobro do número de arestas.
  2. Em questões de Euler, verifique se o grafo é conexo e conte os vértices de grau ímpar.
  3. Para árvores, use n − 1 arestas e o lema do aperto de mãos.
  4. Em Dijkstra, mantenha uma tabela de distâncias provisórias e fixe a cada rodada o vértice não fixado de menor distância.
  5. Para uma árvore geradora mínima, ordene as arestas por peso e pule toda aresta que feche um ciclo (Kruskal), ou faça crescer uma árvore a partir de um vértice inicial (Prim).

2Exercícios

1.Algoritmos e complexidadeMédia

O limite inferior para ordenação baseada em comparações no pior caso é:

  1. AΩ(n log n)
  2. BΩ(log n)
  3. CΩ(n)
  4. DΩ(n²)
2.Algoritmos e complexidadeDifícil

A ordenação topológica só é possível para:

  1. AGrafos acíclicos dirigidos (DAG)
  2. BGrafos com pesos negativos
  3. CGrafos não dirigidos
  4. DGrafos completos
3.Estruturas de dadosMédia

Por que percorrer um array costuma ser muito mais rápido na prática do que percorrer uma lista encadeada do mesmo tamanho?

  1. APercorrer um array é O(1) no total, enquanto percorrer uma lista encadeada é O(n)
  2. BArrays usam menos instruções para comparar valores
  3. CListas encadeadas sempre armazenam os elementos em disco
  4. DOs elementos do array são contíguos, então aproveitam bem o cache da CPU
4.Estruturas de dadosDifícil

Que garantia as regras da árvore rubro-negra dão sobre a altura de uma árvore com n chaves?

  1. AA altura é exatamente log2 n
  2. BA altura é no máximo 2 log2(n + 1)
  3. CA altura é no máximo log2 n + 1
  4. DA altura é no máximo n / 2
5.Teoria dos grafosMédia

Quantos circuitos hamiltonianos diferentes H tem o grafo completo K6? Circuitos que diferem apenas no vértice inicial ou no sentido contam como o mesmo.

K6
H =
6.Teoria dos grafosDifícil
12155111410463111ABCDEFG

O algoritmo de Dijkstra parte de A. Clique no vértice que é fixado (tornado permanente) na rodada 3; o próprio A é a rodada 1.

início: Arodada 3
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
  7. 7G

3Soluções

1.Algoritmos e complexidade

Resposta: A · Ω(n log n)

Porque é esta a resposta

Qualquer ordenação por comparação precisa de pelo menos log₂(n!) ≈ n log n comparações no pior caso. O counting sort supera esse limite porque não faz comparações.

Resposta

A · Ω(n log n)
2.Algoritmos e complexidade

Resposta: A · Grafos acíclicos dirigidos (DAG)

Porque é esta a resposta

Uma ordem topológica existe se e somente se o grafo dirigido não tem ciclos; ela pode ser encontrada em O(V + E) com DFS ou com o algoritmo de Kahn.

Resposta

A · Grafos acíclicos dirigidos (DAG)
3.Estruturas de dados

Resposta: D · Os elementos do array são contíguos, então aproveitam bem o cache da CPU

Porque é esta a resposta

A memória contígua dá boa localidade de referência, enquanto os nós encadeados podem estar espalhados e causar muitos cache misses.

Resposta

D · Os elementos do array são contíguos, então aproveitam bem o cache da CPU
4.Estruturas de dados

Resposta: B · A altura é no máximo 2 log2(n + 1)

Porque é esta a resposta

Todo caminho tem o mesmo número de nós pretos e nós vermelhos não podem ser adjacentes, então o caminho mais longo é no máximo o dobro do mais curto, o que dá altura O(log n).

Resposta

B · A altura é no máximo 2 log2(n + 1)
5.Teoria dos grafos

Resposta: H = 60

Euler, Hamilton e árvores: um grafo conexo tem um circuito euleriano (cada aresta uma vez, de volta ao início) quando todo vértice tem grau par, e um caminho euleriano que não é circuito quando exatamente dois vértices têm grau ímpar; o caminho vai então de um vértice ímpar ao outro. Um circuito hamiltoniano visita cada vértice uma vez; Kn tem (n − 1)!/2 deles. Uma árvore com n vértices tem n − 1 arestas, e um grafo conexo com m arestas mantém uma árvore geradora depois de remover m − n + 1 arestas.

Contar

H = (6 − 1)!/2 = 120/2 = 60

Resposta

H = 60
6.Teoria dos grafos

Resposta: C

Caminhos mínimos e árvores geradoras: o algoritmo de Dijkstra fixa um vértice por rodada: o vértice não fixado com a menor distância provisória. Sua distância torna-se definitiva, e cada vizinho v recebe d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). O algoritmo de Kruskal constrói uma árvore geradora mínima tomando as arestas da mais leve para a mais pesada e descartando qualquer aresta que feche um ciclo; o algoritmo de Prim faz crescer uma árvore a partir de um vértice inicial acrescentando sempre a aresta mais leve que sai dela. Uma árvore geradora de n vértices tem n − 1 arestas.

Dijkstra rodada por rodada

1. A (0): B: 12, C: 15
2. B (12): D: 17, G: 18
3. C (15): E: 26
4. D (17): F: 27
5. G (18)
6. E (26)
7. F (27)

rodada 3

C

Resposta

C

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