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

คุณเรียงอาร์เรย์ n สมาชิกหนึ่งครั้ง แล้วตอบคำถามการเป็นสมาชิก k ข้อด้วยการค้นหาแบบทวิภาค ต้นทุนรวมเท่าใด

  1. AO(n + k)
  2. BO(n log n + k log n)
  3. CO(nk)
  4. DO(k n log n)
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อนยาก

เส้นทางง่ายที่สั้นที่สุดหาได้ในเวลาพหุนาม สิ่งใดที่ทราบเกี่ยวกับการหาเส้นทางง่ายที่ยาวที่สุดระหว่างสองจุดยอดในกราฟทั่วไป

  1. Aแก้ได้ใน O(V + E) เสมอ
  2. Bตัดสินไม่ได้
  3. Cแก้ได้ด้วยอัลกอริทึมของ Dijkstra โดยกลับเครื่องหมายน้ำหนัก
  4. Dเป็น NP-hard
3.โครงสร้างข้อมูลปานกลาง

โปรแกรมที่ทำงานอยู่ใช้โครงสร้างข้อมูลใดติดตามการเรียกฟังก์ชันที่กำลังทำงานและตัวแปรท้องถิ่น

  1. Aสแตกการเรียก (call stack)
  2. Bตารางแฮชของฟังก์ชัน
  3. Cคิวหน่วยความจำฮีป
  4. Dbinary search tree ของเฟรม
4.โครงสร้างข้อมูลยาก

อาร์เรย์พลวัตเพิ่มเป็นสองเท่าเมื่อเต็ม เหตุใดหลายการสร้างจึงหดมันเมื่อเหลือเพียงหนึ่งในสี่เท่านั้น ไม่ใช่ครึ่งหนึ่ง

  1. Aเพื่อหลีกเลี่ยงการปรับขนาดซ้ำเมื่อ push และ pop สลับกันใกล้ขอบเขต
  2. Bเพื่อให้อาร์เรย์เรียงลำดับ
  3. Cเพราะการหดที่ครึ่งหนึ่งทำให้สมาชิกหาย
  4. Dเพราะตัวจัดสรรหน่วยความจำคืนหน่วยความจำได้เฉพาะเป็นหนึ่งในสี่ของบล็อกเท่านั้น
5.ทฤษฎีกราฟปานกลาง

กราฟบริบูรณ์ K5 มีวงจรแฮมิลตันที่แตกต่างกันกี่วงจร H วงจรที่ต่างกันเพียงจุดยอดเริ่มต้นหรือทิศทางนับเป็นวงจรเดียวกัน

K5
H =
6.ทฤษฎีกราฟยาก
31415411104ABCDEF

ใช้ขั้นตอนวิธีของไดก์สตราเพื่อหาความยาว d(E) ของเส้นทางที่สั้นที่สุดจาก A ไป E ในกราฟถ่วงน้ำหนัก

เริ่มต้น: Aสิ้นสุด: E
d(E) =

3สารละลาย

1.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: B · O(n log n + k log n)

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การเรียงใช้ O(n log n) และแต่ละคำถามใช้ O(log n) ดีกว่าการสแกนเชิงเส้น k ครั้ง (O(nk)) เมื่อ k มาก

คำตอบ

B · O(n log n + k log n)
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: D · เป็น NP-hard

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

เส้นทางง่ายที่ยาวที่สุดที่ยาว V − 1 คือเส้นทางแฮมิลตัน ซึ่งเป็นปัญหา NP-complete แต่บนกราฟมีทิศทางแบบไม่มีวงจรแก้ได้ในเวลาเชิงเส้น

คำตอบ

D · เป็น NP-hard
3.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: A · สแตกการเรียก (call stack)

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

แต่ละการเรียก push เฟรมสแตกและแต่ละการคืนค่า pop ออก จึงเป็นเหตุที่การเรียกล่าสุดเสร็จก่อน

คำตอบ

A · สแตกการเรียก (call stack)
4.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: A · เพื่อหลีกเลี่ยงการปรับขนาดซ้ำเมื่อ push และ pop สลับกันใกล้ขอบเขต

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การหดที่ครึ่งหนึ่งอาจกระตุ้นการปรับขนาดทุกการดำเนินการในลำดับเช่นนั้น ช่องว่างระหว่าง 1/4 กับเต็มรักษาต้นทุนกระจายเป็น O(1)

คำตอบ

A · เพื่อหลีกเลี่ยงการปรับขนาดซ้ำเมื่อ push และ pop สลับกันใกล้ขอบเขต
5.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: H = 12

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 = (5 − 1)!/2 = 24/2 = 12

คำตอบ

H = 12
6.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: d(E) = 7

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: 3, C: 14
B (3): C: 4, E: 7
C (4)
E (7): D: 11, F: 17
D (11)
F (17)

เส้นทางที่สั้นที่สุด

A → B → E
d(E) = 7

คำตอบ

d(E) = 7

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