Алгоритмы и структуры данных: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (6) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Теория графов

Лемма о рукопожатиях: Σ deg(v) = 2|E|
Полные графы: |E(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,n)| = m·n
Регулярный граф: |E| = n·k/2
Дерево и лес: |E| = n − 1, |E| = n − c
Листья дерева: L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Эйлер: цикл: все степени чётные; путь: ровно две нечётные степени
Гамильтоновы циклы в K_n: (n − 1)!/2
Обновление в алгоритме Дейкстры: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Маршруты длины L: (Mᴸ)_ij

Метод

Запишите степень каждой вершины; сумма степеней равна удвоенному числу рёбер.
В задачах об эйлеровых путях проверьте, что граф связный, и посчитайте вершины нечётной степени.
Для деревьев используйте n − 1 ребро и лемму о рукопожатиях.
В алгоритме Дейкстры ведите таблицу предварительных расстояний и на каждом шаге фиксируйте нефиксированную вершину с наименьшим расстоянием.
Для минимального остовного дерева отсортируйте рёбра по весу и пропускайте каждое ребро, замыкающее цикл (Краскал), либо растите одно дерево из начальной вершины (Прим).

2Тренировочные задачи

1.Алгоритмы и сложностьСредняя

Верно ли утверждать, что алгоритм O(n²) также является O(n³)?

AНет, потому что при больших n значение n³ меньше n²
BДа, но только если n меньше 100
CДа, потому что O большое — верхняя граница, а n² растёт не быстрее n³
DНет, потому что O большое всегда должно указывать точную скорость роста функции

2.Алгоритмы и сложностьСложная

Алгоритм Штрассена умножает матрицы, используя 7 вместо 8 рекурсивных умножений блоков половинного размера. Каково время его работы?

AΘ(n^{log₂ 7}), примерно n^2,81
BΘ(n² log n)
CΘ(n³)
DΘ(n²)

3.Структуры данныхСредняя

Очередь реализована двумя стеками: push в стек «in», pop из стека «out», который при опустошении заполняется из «in». Какова амортизированная стоимость одной операции?

AO(1)
BO(log n)
CO(n)
DO(n²)

4.Структуры данныхСложная

Какому свойству должно удовлетворять красно-чёрное дерево?

AКаждый узел должен быть красным
BКорень должен быть красным
CУ каждого красного узла должны быть красные потомки, поэтому красные узлы всегда образуют непрерывные цепочки до листьев
DКаждый путь от узла до его листьев-потомков содержит одинаковое число чёрных узлов

5.Теория графовСредняя

У дерева 4 вершин степени 3, 4 вершин степени 4, 2 вершин степени 5, а все остальные его вершины — листья (степень 1). Сколько у него листьев, L?

4 × deg 34 × deg 42 × deg 5

L =

6.Теория графовСложная

С помощью алгоритма Дейкстры найдите длину d(F) кратчайшего пути от A до F во взвешенном графе.

начало: Aконец: F

d(F) =

3Растворы

1.Алгоритмы и сложность

Ответ: C · Да, потому что O большое — верхняя граница, а n² растёт не быстрее n³

Почему это ответ

O большое — верхняя граница, поэтому утверждение верно, но не точно; Θ(n²) указывает точную скорость роста.

Ответ

C · Да, потому что O большое — верхняя граница, а n² растёт не быстрее n³

2.Алгоритмы и сложность

Ответ: A · Θ(n^{log₂ 7}), примерно n^2,81

Почему это ответ

При a = 7 и b = 2 член n^{log₂ 7} доминирует над работой сложения O(n²), что даёт примерно n^2,81.

Ответ

A · Θ(n^{log₂ 7}), примерно n^2,81

3.Структуры данных

Ответ: A · O(1)

Почему это ответ

Каждый элемент помещается и извлекается в сумме не более двух раз, поэтому, хотя одно перезаполнение может занять O(n), в среднем по последовательности операций выходит O(1).

Ответ

A · O(1)

4.Структуры данных

Ответ: D · Каждый путь от узла до его листьев-потомков содержит одинаковое число чёрных узлов

Почему это ответ

Правила красно-чёрного дерева: узлы красные или чёрные, корень чёрный, потомки красных узлов чёрные, а все пути имеют одинаковую чёрную высоту, что удерживает высоту ≤ 2 log₂(n + 1).

Ответ

D · Каждый путь от узла до его листьев-потомков содержит одинаковое число чёрных узлов

5.Теория графов

Ответ: L = 20

Эйлер, Гамильтон и деревья: связный граф имеет эйлеров цикл (каждое ребро один раз, с возвратом в начало), когда все вершины имеют чётную степень, и эйлеров путь, не являющийся циклом, когда ровно две вершины имеют нечётную степень; тогда путь идёт от одной нечётной вершины к другой. Гамильтонов цикл посещает каждую вершину один раз; в K_n их (n − 1)!/2. У дерева на n вершинах n − 1 ребро, а связный граф с m рёбрами сохраняет остовное дерево после удаления m − n + 1 рёбер.

Лемма о рукопожатиях для дерева

L + 38 = 2(L + 10) − 2

L = 20

Ответ

L = 20

Короткий путь: L = 2 + Σ (d − 2) по вершинам степени d ≥ 3.

6.Теория графов

Ответ: d(F) = 20

Кратчайшие пути и остовные деревья: алгоритм Дейкстры фиксирует по одной вершине на шаге: нефиксированную вершину с наименьшим предварительным расстоянием. Её расстояние становится окончательным, а каждый сосед v получает d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Алгоритм Краскала строит минимальное остовное дерево, беря рёбра от лёгких к тяжёлым и пропуская любое ребро, которое замкнуло бы цикл; алгоритм Прима растит одно дерево из начальной вершины, всегда добавляя самое лёгкое ребро, выходящее из него. В остовном дереве на n вершинах n − 1 ребро.

Алгоритм Дейкстры по шагам

В каждой строке: зафиксированная вершина, её окончательное расстояние и соседи, у которых расстояние улучшается.

A (0): C: 12

C (12): B: 17, E: 15

E (15): D: 30, F: 20, G: 18

B (17): D: 25

G (18)

F (20)

D (25)

Кратчайший путь

A → C → E → F

d(F) = 20

Ответ

d(F) = 20

ExamProblems · examproblems.com/courses/data-structures-and-algorithms