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

อัลกอริทึมของ Prim สร้างต้นไม้ทอดข้ามที่น้อยที่สุดอย่างไร

  1. Aลบเส้นเชื่อมที่แพงที่สุดจนไม่เหลือวงจร
  2. Bรัน BFS และเก็บต้นไม้ BFS ไว้
  3. Cเรียงเส้นเชื่อมทั้งหมดตามน้ำหนักและเพิ่มทีละเส้น เว้นแต่จะก่อวงจรในป่า
  4. Dขยายต้นไม้ต้นเดียวจากจุดยอดเริ่มต้น โดยเพิ่มเส้นเชื่อมที่ถูกที่สุดที่ออกจากต้นไม้
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อนยาก

ต้องแสดงสองสิ่งใดเพื่อพิสูจน์ว่าปัญหาการตัดสินใจ X เป็น NP-complete

  1. AX ลดรูปไปเป็นปัญหาใน P และ X อยู่ใน NP
  2. BX อยู่ใน NP และปัญหา NP-complete ที่ทราบลดรูปมาเป็น X ในเวลาพหุนาม
  3. CX ไม่มีอัลกอริทึมพหุนาม และ X ตัดสินได้
  4. DX อยู่ใน P และ X ลดรูปไปเป็น SAT
3.โครงสร้างข้อมูลปานกลาง

หาคีย์ที่น้อยที่สุดใน binary search tree ได้อย่างไร

  1. Aเยี่ยมทุกใบและเปรียบเทียบกัน
  2. Bดูเฉพาะราก
  3. Cตามลูกซ้ายจากรากจนไม่มีลูกซ้าย
  4. Dตามลูกขวาจากรากจนไม่มีลูกขวา
4.โครงสร้างข้อมูลยาก

segment tree มักใช้เพื่อ

  1. Aสร้างสแตก
  2. Bเรียงสตริงตามตัวอักษรโดยเก็บแต่ละคำนำหน้าไว้ในโหนดต้นไม้แยกกัน
  3. Cตอบคำถามช่วง (เช่น ผลรวมช่วง) และอัปเดตใน O(log n)
  4. Dเก็บเส้นเชื่อมของกราฟ
5.ทฤษฎีกราฟปานกลาง

กราฟเชื่อมโยงมี 15 จุดยอดและ 15 เส้นเชื่อม ต้องเอาเส้นเชื่อมออกกี่เส้น k เพื่อให้เหลือต้นไม้ทอดข้าม

|V| = 15|E| = 15
k =
6.ทฤษฎีกราฟยาก
192161711120414813ABCDEFG

จงหาน้ำหนักรวม W ของต้นไม้ทอดข้ามค่าน้อยที่สุดของกราฟถ่วงน้ำหนัก

|V| = 7|E| = 11
W =

3สารละลาย

1.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: D · ขยายต้นไม้ต้นเดียวจากจุดยอดเริ่มต้น โดยเพิ่มเส้นเชื่อมที่ถูกที่สุดที่ออกจากต้นไม้

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

อัลกอริทึมของ Prim ที่ใช้คิวลำดับความสำคัญของเส้นเชื่อมที่ข้ามขอบเขตทำงานใน O(E log V) เมื่อใช้ฮีปไบนารี

คำตอบ

D · ขยายต้นไม้ต้นเดียวจากจุดยอดเริ่มต้น โดยเพิ่มเส้นเชื่อมที่ถูกที่สุดที่ออกจากต้นไม้
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: B · X อยู่ใน NP และปัญหา NP-complete ที่ทราบลดรูปมาเป็น X ในเวลาพหุนาม

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การเป็นสมาชิกของ NP แสดงว่า X ไม่ยากกว่า NP ส่วนการลดรูปจากปัญหา NP-complete ที่ทราบแสดงว่า X ยากอย่างน้อยเท่าทั้ง NP

คำตอบ

B · X อยู่ใน NP และปัญหา NP-complete ที่ทราบลดรูปมาเป็น X ในเวลาพหุนาม
3.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: C · ตามลูกซ้ายจากรากจนไม่มีลูกซ้าย

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

โหนดซ้ายสุดไม่มีคีย์ที่เล็กกว่าในต้นไม้ จึงเป็นค่าต่ำสุด ต้นทุนแปรผันตามความสูง

คำตอบ

C · ตามลูกซ้ายจากรากจนไม่มีลูกซ้าย
4.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: C · ตอบคำถามช่วง (เช่น ผลรวมช่วง) และอัปเดตใน O(log n)

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

Segment tree เก็บค่ารวมของช่วง รองรับคำถามช่วงและการอัปเดตจุดในเวลา O(log n)

คำตอบ

C · ตอบคำถามช่วง (เช่น ผลรวมช่วง) และอัปเดตใน O(log n)
5.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: k = 1

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

เส้นเชื่อมของต้นไม้ทอดข้าม

15 − 1 = 14

เส้นเชื่อมที่ต้องเอาออก

k = 15 − 14 = 1

คำตอบ

k = 1
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

DF (1): เลือก
AC (2): เลือก
GB (4): เลือก
GD (8): เลือก
DE (11): เลือก
GE (13): ข้าม ทำให้เกิดวัฏจักร
GC (14): เลือก

น้ำหนักรวม

W = 1 + 2 + 4 + 8 + 11 + 14 = 40

คำตอบ

W = 40

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