โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 6 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

ทฤษฎีกราฟ

เล็มมาการจับมือ
Σ deg(v) = 2|E|
กราฟบริบูรณ์
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
กราฟปรกติ
|E| = n·k/2
ต้นไม้และป่า
|E| = n − 1, |E| = n − c
ใบของต้นไม้
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
ออยเลอร์
วงจร: ดีกรีเป็นคู่ทุกจุดยอด; ทางเดิน: มีดีกรีคี่พอดี 2 จุดยอด
วงจรแฮมิลตันใน Kn
(n − 1)!/2
การปรับค่าของไดก์สตรา
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
วอล์กความยาว L
(Mᴸ)ij

วิธีการ

  1. เขียนดีกรีของทุกจุดยอด ผลบวกของดีกรีเท่ากับสองเท่าของจำนวนเส้นเชื่อม
  2. สำหรับโจทย์ออยเลอร์ ให้ตรวจว่ากราฟเชื่อมโยงกัน และนับจุดยอดที่มีดีกรีคี่
  3. สำหรับต้นไม้ ให้ใช้ว่ามี n − 1 เส้นเชื่อม และเล็มมาการจับมือ
  4. สำหรับไดก์สตรา ให้เก็บตารางระยะทางชั่วคราว และยืนยันจุดยอดที่ยังไม่ยืนยันซึ่งมีค่าน้อยที่สุดในแต่ละรอบ
  5. สำหรับต้นไม้ทอดข้ามค่าน้อยที่สุด ให้เรียงเส้นเชื่อมตามน้ำหนักและข้ามทุกเส้นที่ทำให้เกิดวัฏจักร (ครัสคัล) หรือขยายต้นไม้ต้นเดียวจากจุดยอดเริ่มต้น (พริม)

2โจทย์ฝึก

1.อัลกอริทึมและความซับซ้อนปานกลาง

การวิเคราะห์แบบกระจายต้นทุน (amortised analysis) วัดสิ่งใด

  1. Aต้นทุนคาดหมายเหนืออินพุตสุ่ม
  2. Bต้นทุนของการดำเนินการเดียวที่แพงที่สุดในลำดับการดำเนินการ
  3. Cต้นทุนของอัลกอริทึมบนอินพุตที่ดีที่สุด
  4. Dต้นทุนเฉลี่ยต่อหนึ่งการดำเนินการ บนลำดับการดำเนินการที่เลวร้ายที่สุด
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อนยาก

การเลือกปลายทั้งสองของทุกเส้นเชื่อมใน maximal matching ให้ผลเป็นเซตครอบคลุมจุดยอด (vertex cover) เซตครอบคลุมนี้ดีเพียงใด

  1. Aไม่ทราบคุณภาพเมื่อเทียบกับค่าที่เหมาะสมที่สุด
  2. Bไม่เกิน log n เท่าของค่าต่ำสุด
  3. Cขนาดไม่เกินสองเท่าของเซตครอบคลุมจุดยอดที่เล็กที่สุด
  4. Dเป็นเซตครอบคลุมจุดยอดที่เล็กที่สุดเสมอ
3.โครงสร้างข้อมูลปานกลาง

เหตุใดการท่องอาร์เรย์จึงเร็วกว่าการท่องลิงก์ลิสต์ที่ยาวเท่ากันมากในทางปฏิบัติ

  1. Aสมาชิกของอาร์เรย์ต่อเนื่องกัน จึงใช้แคชของ CPU ได้ดี
  2. Bลิงก์ลิสต์เก็บสมาชิกบนดิสก์เสมอ
  3. Cการท่องอาร์เรย์เป็น O(1) โดยรวม ส่วนการท่องลิงก์ลิสต์เป็น O(n)
  4. Dอาร์เรย์ใช้คำสั่งน้อยกว่าในการเปรียบเทียบค่า
4.โครงสร้างข้อมูลยาก

อัลกอริทึมของ Kahn สำหรับการเรียงทอพอโลยีลบจุดยอดที่มี in-degree 0 ซ้ำ ๆ โครงสร้างใดเก็บจุดยอดเหล่านั้น

  1. Aคิว (หรือคอลเล็กชันใดก็ได้) ของจุดยอดที่มี in-degree เป็น 0
  2. Bเมทริกซ์ประชิดที่บันทึกว่าจุดยอดใดถูกลบไปแล้ว
  3. Cสแตกของเส้นเชื่อมที่เยี่ยมทั้งหมด
  4. Dmax-heap เรียงตาม out-degree
5.ทฤษฎีกราฟปานกลาง
ABCDEFวงจรออยเลอร์ทางเดินออยเลอร์ ไม่มีวงจรไม่ใช่ทั้งสองอย่าง

กราฟเชื่อมโยงนี้มีวงจรออยเลอร์ ทางเดินออยเลอร์ที่ไม่ใช่วงจร หรือไม่มีทั้งสองอย่าง ให้คลิกคำตอบของคุณ

|V| = 6|E| = 6
  1. 1วงจรออยเลอร์
  2. 2ทางเดินออยเลอร์ ไม่มีวงจร
  3. 3ไม่ใช่ทั้งสองอย่าง
6.ทฤษฎีกราฟยาก
126331125151ABCDEFG

ใช้ขั้นตอนวิธีของไดก์สตราเพื่อหาความยาว d(E) ของเส้นทางที่สั้นที่สุดจาก A ไป E ในกราฟถ่วงน้ำหนัก

เริ่มต้น: Aสิ้นสุด: E
d(E) =

3สารละลาย

1.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: D · ต้นทุนเฉลี่ยต่อหนึ่งการดำเนินการ บนลำดับการดำเนินการที่เลวร้ายที่สุด

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การวิเคราะห์แบบกระจายต้นทุนกระจายต้นทุนของการดำเนินการแพงที่เกิดนาน ๆ ครั้งไปยังการดำเนินการถูกจำนวนมาก ให้ค่าเฉลี่ยที่รับประกันสำหรับลำดับใด ๆ

คำตอบ

D · ต้นทุนเฉลี่ยต่อหนึ่งการดำเนินการ บนลำดับการดำเนินการที่เลวร้ายที่สุด
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: C · ขนาดไม่เกินสองเท่าของเซตครอบคลุมจุดยอดที่เล็กที่สุด

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

เส้นเชื่อมใน matching ไม่ใช้จุดยอดร่วมกัน ค่าเหมาะสมที่สุดจึงต้องมีอย่างน้อยหนึ่งจุดยอดต่อหนึ่งเส้น ขณะที่วิธีนี้เลือกสองจุด: การประมาณค่า 2 เท่า

คำตอบ

C · ขนาดไม่เกินสองเท่าของเซตครอบคลุมจุดยอดที่เล็กที่สุด
3.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: A · สมาชิกของอาร์เรย์ต่อเนื่องกัน จึงใช้แคชของ CPU ได้ดี

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

หน่วยความจำต่อเนื่องให้ locality of reference ที่ดี ขณะที่โหนดที่เชื่อมกันอาจกระจัดกระจายและทำให้เกิด cache miss มาก

คำตอบ

A · สมาชิกของอาร์เรย์ต่อเนื่องกัน จึงใช้แคชของ CPU ได้ดี
4.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: A · คิว (หรือคอลเล็กชันใดก็ได้) ของจุดยอดที่มี in-degree เป็น 0

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

จุดยอดที่พร้อมถูกเก็บในคิว การลบหนึ่งจุดลด in-degree ของข้างเคียง และตัวที่ถึง 0 ถูกเพิ่ม ได้เวลา O(V + E)

คำตอบ

A · คิว (หรือคอลเล็กชันใดก็ได้) ของจุดยอดที่มี in-degree เป็น 0
5.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: ทางเดินออยเลอร์ ไม่มีวงจร

ออยเลอร์ แฮมิลตัน และต้นไม้: กราฟเชื่อมโยงมีวงจรออยเลอร์ (ผ่านทุกเส้นเชื่อมครั้งเดียวและกลับจุดเริ่มต้น) เมื่อทุกจุดยอดมีดีกรีคู่ และมีทางเดินออยเลอร์ที่ไม่ใช่วงจรเมื่อมีจุดยอดดีกรีคี่พอดีสองจุด ทางเดินนั้นไปจากจุดยอดคี่จุดหนึ่งถึงอีกจุดหนึ่ง วงจรแฮมิลตันผ่านทุกจุดยอดครั้งเดียว Kn มีวงจรแบบนี้ (n − 1)!/2 วงจร ต้นไม้ที่มี n จุดยอดมี n − 1 เส้นเชื่อม และกราฟเชื่อมโยงที่มี m เส้นเชื่อมจะเหลือต้นไม้ทอดข้ามหลังเอาเส้นเชื่อมออก m − n + 1 เส้น

ดีกรี

deg(A) = 1, deg(B) = 4, deg(C) = 2, deg(D) = 2, deg(E) = 2, deg(F) = 1

จุดยอดคี่

A, F → 2
ทางเดินออยเลอร์ ไม่มีวงจร

คำตอบ

ทางเดินออยเลอร์ ไม่มีวงจร

ทางเดินออยเลอร์เริ่มที่จุดยอดคี่จุดหนึ่งและจบที่อีกจุดหนึ่ง

6.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: d(E) = 4

เส้นทางที่สั้นที่สุดและต้นไม้ทอดข้าม: ขั้นตอนวิธีของไดก์สตรายืนยันหนึ่งจุดยอดต่อรอบ: จุดยอดที่ยังไม่ยืนยันซึ่งมีระยะทางชั่วคราวน้อยที่สุด ระยะทางของมันเป็นค่าสุดท้ายแล้ว และเพื่อนบ้าน v ทุกจุดได้ d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)) ขั้นตอนวิธีของครัสคัลสร้างต้นไม้ทอดข้ามค่าน้อยที่สุดโดยเลือกเส้นเชื่อมจากเบาไปหนักและข้ามเส้นที่ทำให้เกิดวัฏจักร ขั้นตอนวิธีของพริมขยายต้นไม้หนึ่งต้นจากจุดยอดเริ่มต้นโดยเพิ่มเส้นเชื่อมที่เบาที่สุดที่ออกจากต้นไม้เสมอ ต้นไม้ทอดข้ามที่มี n จุดยอดมี n − 1 เส้นเชื่อม

ไดก์สตราทีละรอบ

แต่ละบรรทัด: จุดยอดที่ยืนยัน ระยะทางสุดท้ายของมัน และเพื่อนบ้านที่ระยะทางดีขึ้น

A (0): B: 1, C: 2
B (1): D: 4, G: 6
C (2): E: 5, G: 3
G (3): E: 4
D (4)
E (4): F: 16
F (16)

เส้นทางที่สั้นที่สุด

A → C → G → E
d(E) = 4

คำตอบ

d(E) = 4

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