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

quicksort ใช้สมาชิกตัวแรกเป็นตัวหลักเสมอ อินพุตแบบใดแสดงพฤติกรรมกรณีเลวร้ายที่สุดของมัน

  1. Aอาร์เรย์ที่เรียงแบบสุ่ม
  2. Bอาร์เรย์ที่สมาชิกทุกตัวต่างกัน
  3. Cอาร์เรย์ความยาว 2
  4. Dอาร์เรย์ที่เรียงลำดับแล้ว
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อนยาก

ข้อใดเกี่ยวกับการเลือกสมาชิกที่เล็กที่สุดอันดับที่ k ของอาร์เรย์ที่ไม่เรียงลำดับถูกต้อง

  1. AQuickselect ทำงานใน O(n) คาดหมาย และ median-of-medians รับประกัน O(n) ในกรณีเลวร้ายที่สุด
  2. Bการเลือกต้องใช้ Ω(n log n) เสมอเพราะต้องเรียงลำดับ
  3. CQuickselect ทำงานใน O(log n) ในกรณีเลวร้ายที่สุด เพราะเรียกซ้ำเพียงฝั่งเดียวของตัวหมุน
  4. Dการเลือกทำได้ใน O(n²) เท่านั้น
3.โครงสร้างข้อมูลปานกลาง

อัลกอริทึมของ Dijkstra ใช้ชนิดข้อมูลนามธรรมใดเลือกจุดยอดถัดไปที่จะประมวลผล

  1. Aสแตก
  2. Bคิว FIFO
  3. Cเซตที่ไม่มีลำดับ
  4. Dคิวลำดับความสำคัญแบบค่าต่ำสุด (min-priority queue)
4.โครงสร้างข้อมูลยาก

radix tree (compressed trie) ปรับปรุง trie ธรรมดาอย่างไร

  1. Aเรียงลูกของแต่ละโหนดตามความถี่
  2. Bเก็บแต่ละคำไว้ในตารางแฮชที่ราก แทนที่จะเก็บในโหนดแยกกัน
  3. Cเก็บเฉพาะตัวอักษรแรกของแต่ละคำ
  4. Dรวมโซ่ของโหนดที่มีลูกตัวเดียวเป็นเส้นเชื่อมเดียวที่ติดป้ายด้วยสตริง
5.ทฤษฎีกราฟปานกลาง

กราฟเชื่อมโยงมี 18 จุดยอดและ 25 เส้นเชื่อม ต้องเอาเส้นเชื่อมออกกี่เส้น k เพื่อให้เหลือต้นไม้ทอดข้าม

|V| = 18|E| = 25
k =
6.ทฤษฎีกราฟยาก
4921311121314ABCDEFG

ใช้ขั้นตอนวิธีของไดก์สตราเพื่อหาความยาว d(D) ของเส้นทางที่สั้นที่สุดจาก A ไป D ในกราฟถ่วงน้ำหนัก

เริ่มต้น: Aสิ้นสุด: D
d(D) =

3สารละลาย

1.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: D · อาร์เรย์ที่เรียงลำดับแล้ว

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

บนอินพุตที่เรียงแล้ว ตัวหลักเป็นค่าต่ำสุดเสมอ ฝั่งหนึ่งว่างและอีกฝั่งมี n − 1 ตัว ได้ O(n²)

คำตอบ

D · อาร์เรย์ที่เรียงลำดับแล้ว
2.อัลกอริทึมและความซับซ้อน

คำตอบ: A · Quickselect ทำงานใน O(n) คาดหมาย และ median-of-medians รับประกัน O(n) ในกรณีเลวร้ายที่สุด

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

งานคาดหมายของ Quickselect คือ n + n/2 + n/4 + ... = O(n) เมื่อสุ่มตัวหลัก การเลือกตัวหลักด้วย median of medians ทำให้กรณีเลวร้ายที่สุดเป็นเชิงเส้น

คำตอบ

A · Quickselect ทำงานใน O(n) คาดหมาย และ median-of-medians รับประกัน O(n) ในกรณีเลวร้ายที่สุด
3.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: D · คิวลำดับความสำคัญแบบค่าต่ำสุด (min-priority queue)

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

Min-priority queue ซึ่งมักเป็นฮีปทวิภาค คืนจุดยอดที่ยังไม่เยี่ยมที่มีระยะทางน้อยที่สุดได้อย่างมีประสิทธิภาพ

คำตอบ

D · คิวลำดับความสำคัญแบบค่าต่ำสุด (min-priority queue)
4.โครงสร้างข้อมูล

คำตอบ: D · รวมโซ่ของโหนดที่มีลูกตัวเดียวเป็นเส้นเชื่อมเดียวที่ติดป้ายด้วยสตริง

เหตุผลที่เป็นคำตอบนี้

การยุบเส้นทางที่ไม่แตกกิ่งลดจำนวนโหนดและหน่วยความจำที่ใช้ โดยยังรักษาการค้นหาด้วยคำนำหน้า

คำตอบ

D · รวมโซ่ของโหนดที่มีลูกตัวเดียวเป็นเส้นเชื่อมเดียวที่ติดป้ายด้วยสตริง
5.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: k = 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

เส้นเชื่อมของต้นไม้ทอดข้าม

18 − 1 = 17

เส้นเชื่อมที่ต้องเอาออก

k = 25 − 17 = 8

คำตอบ

k = 8
6.ทฤษฎีกราฟ

คำตอบ: d(D) = 8

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
B (4): D: 13, G: 5
G (5): D: 8, E: 19
D (8): F: 19
E (19): C: 21
F (19)
C (21)

เส้นทางที่สั้นที่สุด

A → B → G → D
d(D) = 8

คำตอบ

d(D) = 8

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