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

การโปรแกรมพลวัต (dynamic programming) มีประโยชน์เมื่อปัญหามี

  1. Aปัญหาย่อยที่ซ้อนทับกันและโครงสร้างย่อยเหมาะสมที่สุด
  2. Bไม่มีปัญหาย่อยเลย จึงแก้ได้ในขั้นตอนเดียว
  3. Cลูปเพียงชั้นเดียว
  4. Dอินพุตสุ่มเท่านั้น
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อนยาก

อัลกอริทึม Bellman–Ford ตรวจจับวงจรน้ำหนักติดลบที่ไปถึงได้จากต้นทางอย่างไร

  1. Aรัน Dijkstra สองครั้งแล้วเปรียบเทียบผลระยะทางทั้งสองชุด
  2. Bนับวงจรด้วยการค้นหาในแนวลึก
  3. Cหลัง V − 1 รอบ ตรวจว่ามีเส้นเชื่อมใดที่ยังผ่อนคลายได้อีกหรือไม่
  4. Dตรวจว่ามีเส้นเชื่อมใดมีน้ำหนักติดลบหรือไม่
3.โครงสร้างข้อมูลปานกลาง

สมาชิกใหม่ถูกแทรกลงในฮีปทวิภาคอย่างไร

  1. Aแทรกที่ตำแหน่งตามลำดับโดยเลื่อนสมาชิกที่ใหญ่กว่าทั้งหมดไปทางขวาหนึ่งตำแหน่ง
  2. Bสร้างฮีปใหม่ทั้งหมดตั้งแต่ต้น
  3. Cวางที่ท้ายอาร์เรย์และเลื่อนขึ้น (sift up) ตราบที่ยังละเมิดคุณสมบัติฮีป
  4. Dวางที่รากและเลื่อนลง
4.โครงสร้างข้อมูลยาก

ในบัฟเฟอร์วงกลม front == rear อาจหมายถึงว่างหรือเต็ม วิธีทั่วไปในการแยกสองกรณีคืออะไร

  1. Aล้างบัฟเฟอร์ทุกครั้งที่ front เท่ากับ rear ดังนั้นสถานะจึงเป็นว่าง
  2. Bทำให้ขนาดบัฟเฟอร์เป็นเลขกำลังสอง
  3. Cเก็บจำนวนสมาชิกแยกต่างหาก หรือเว้นหนึ่งช่องไว้เสมอ
  4. Dเก็บ front และ rear ในตัวแปรเดียวกัน
5.ทฤษฎีกราฟปานกลาง

กราฟบริบูรณ์ K7 มีวงจรแฮมิลตันที่แตกต่างกันกี่วงจร H วงจรที่ต่างกันเพียงจุดยอดเริ่มต้นหรือทิศทางนับเป็นวงจรเดียวกัน

K7
H =
6.ทฤษฎีกราฟยาก
4121913201558ABCDEFG

จงหาน้ำหนักรวม W ของต้นไม้ทอดข้ามค่าน้อยที่สุดของกราฟถ่วงน้ำหนัก

|V| = 7|E| = 9
W =

3สารละลาย

1.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: A · ปัญหาย่อยที่ซ้อนทับกันและโครงสร้างย่อยเหมาะสมที่สุด

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การเก็บผลของปัญหาย่อยที่ซ้อนทับกัน (memoisation หรือ tabulation) ช่วยหลีกเลี่ยงงานซ้ำ เปลี่ยนอัลกอริทึมแบบเอกซ์โพเนนเชียลให้เป็นพหุนาม

คำตอบ

A · ปัญหาย่อยที่ซ้อนทับกันและโครงสร้างย่อยเหมาะสมที่สุด
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: C · หลัง V − 1 รอบ ตรวจว่ามีเส้นเชื่อมใดที่ยังผ่อนคลายได้อีกหรือไม่

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

ระยะทางสั้นที่สุดจริงทั้งหมดพบภายใน V − 1 รอบ ถ้ายังปรับปรุงเส้นเชื่อมใดได้อีก ต้องมีวงจรติดลบ

คำตอบ

C · หลัง V − 1 รอบ ตรวจว่ามีเส้นเชื่อมใดที่ยังผ่อนคลายได้อีกหรือไม่
3.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: C · วางที่ท้ายอาร์เรย์และเลื่อนขึ้น (sift up) ตราบที่ยังละเมิดคุณสมบัติฮีป

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การเพิ่มที่ท้ายรักษาต้นไม้ให้สมบูรณ์ การสลับกับแม่คืนลำดับใน O(log n) ขั้นตอน

คำตอบ

C · วางที่ท้ายอาร์เรย์และเลื่อนขึ้น (sift up) ตราบที่ยังละเมิดคุณสมบัติฮีป
4.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: C · เก็บจำนวนสมาชิกแยกต่างหาก หรือเว้นหนึ่งช่องไว้เสมอ

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

เมื่อมีตัวนับ ว่างคือ count = 0 และเต็มคือ count = ความจุ เมื่อเว้นหนึ่งช่อง เต็มนิยามเป็น (rear + 1) mod n == front

คำตอบ

C · เก็บจำนวนสมาชิกแยกต่างหาก หรือเว้นหนึ่งช่องไว้เสมอ
5.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: H = 360

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

นับ

H = (7 − 1)!/2 = 720/2 = 360

คำตอบ

H = 360
6.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: W = 40

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

ขั้นตอนวิธีของครัสคัล

CE (1): เลือก
DE (3): เลือก
AB (4): เลือก
GC (5): เลือก
GD (8): ข้าม ทำให้เกิดวัฏจักร
AC (12): เลือก
EF (15): เลือก

น้ำหนักรวม

W = 1 + 3 + 4 + 5 + 12 + 15 = 40

คำตอบ

W = 40

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