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. Bลูปเพียงชั้นเดียว
  3. Cอินพุตสุ่มเท่านั้น
  4. Dไม่มีปัญหาย่อยเลย จึงแก้ได้ในขั้นตอนเดียว
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อนยาก

เหตุใดการค้นหาแบบเปรียบเทียบใด ๆ ในอาร์เรย์ที่เรียงแล้วจึงต้องใช้ Ω(log n) การเปรียบเทียบในกรณีเลวร้ายที่สุด

  1. Aทุกสมาชิกต้องถูกเปรียบเทียบอย่างน้อยหนึ่งครั้ง
  2. Bการเปรียบเทียบแต่ละครั้งใช้เวลาแบบลอการิทึม
  3. Cต้นไม้ตัดสินใจที่มีผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ n แบบต้องมีความลึกอย่างน้อย log₂ n
  4. Dการค้นหาแบบทวิภาคเป็นอัลกอริทึมเดียวที่เป็นไปได้ และต้องใช้ log₂ n การเปรียบเทียบ
3.โครงสร้างข้อมูลปานกลาง

แอปพลิเคชันต้องการค้นหาเร็ว และต้องแสดงรายการคีย์เรียงลำดับและตอบคำถามช่วง โครงสร้างใดเหมาะที่สุด

  1. Aสแตก
  2. Bลิงก์ลิสต์ที่ไม่เรียงลำดับ
  3. Cตารางแฮช
  4. Dbinary search tree แบบสมดุล
4.โครงสร้างข้อมูลยาก

ในตารางแฮชที่ใช้ open addressing เหตุใดการลบจึงมักทำด้วยเครื่องหมาย "tombstone"

  1. Atombstone เร่งการแฮช
  2. Bทำให้ตารางเรียงลำดับ
  3. Cคีย์ที่ลบต้องเก็บไว้ตลอดไปเพื่อความปลอดภัย จึงใช้ช่องนั้นซ้ำไม่ได้
  4. Dการทำให้ช่องว่างอาจทำลายลำดับการตรวจสอบสำหรับคีย์อื่น
5.ทฤษฎีกราฟปานกลาง

ต้นไม้มี 2 จุดยอดดีกรี 5 และจุดยอดอื่นทั้งหมดเป็นใบ (ดีกรี 1) มีกี่ใบ L

2 × deg 5
L =
6.ทฤษฎีกราฟยาก
4439761215346ABCDEFG

ใช้ขั้นตอนวิธีของไดก์สตราเพื่อหาความยาว d(F) ของเส้นทางที่สั้นที่สุดจาก A ไป F ในกราฟถ่วงน้ำหนัก

เริ่มต้น: Aสิ้นสุด: F
d(F) =

3สารละลาย

1.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: A · ปัญหาย่อยที่ซ้อนทับกันและโครงสร้างย่อยเหมาะสมที่สุด

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การเก็บผลของปัญหาย่อยที่ซ้อนทับกัน (memoisation หรือ tabulation) ช่วยหลีกเลี่ยงงานซ้ำ เปลี่ยนอัลกอริทึมแบบเอกซ์โพเนนเชียลให้เป็นพหุนาม

คำตอบ

A · ปัญหาย่อยที่ซ้อนทับกันและโครงสร้างย่อยเหมาะสมที่สุด
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: C · ต้นไม้ตัดสินใจที่มีผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ n แบบต้องมีความลึกอย่างน้อย log₂ n

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การเปรียบเทียบแต่ละครั้งลดเซตความเป็นไปได้ที่เหลือลงอย่างมากที่สุดครึ่งหนึ่ง การแยกแยะ n ตำแหน่งจึงต้องใช้อย่างน้อย log₂ n การเปรียบเทียบ

คำตอบ

C · ต้นไม้ตัดสินใจที่มีผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ n แบบต้องมีความลึกอย่างน้อย log₂ n
3.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: D · binary search tree แบบสมดุล

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

BST สมดุลให้การค้นหา O(log n) และรักษาลำดับคีย์ การท่อง in-order และคำถามช่วงจึงทำได้ง่าย ตารางแฮชกระจายคีย์

คำตอบ

D · binary search tree แบบสมดุล
4.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: D · การทำให้ช่องว่างอาจทำลายลำดับการตรวจสอบสำหรับคีย์อื่น

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

หากช่องที่ถูกลบกลายเป็นช่องว่าง การค้นหาภายหลังอาจหยุดก่อนและพลาดคีย์ที่วางไว้ไกลออกไปตามลำดับการตรวจสอบ

คำตอบ

D · การทำให้ช่องว่างอาจทำลายลำดับการตรวจสอบสำหรับคีย์อื่น
5.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: L = 8

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

เล็มมาการจับมือสำหรับต้นไม้

L + 10 = 2(L + 2) − 2
L = 8

คำตอบ

L = 8

ทางลัด: L = 2 + Σ (d − 2) ของจุดยอดที่มีดีกรี d ≥ 3

6.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: d(F) = 17

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: 4, C: 4
B (4): D: 13, G: 19
C (4): G: 7
G (7): D: 11, E: 13
D (11): F: 17
E (13)
F (17)

เส้นทางที่สั้นที่สุด

A → C → G → D → F
d(F) = 17

คำตอบ

d(F) = 17

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