Алгоритми та структури даних: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 6 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Теорія графів

Лема про рукостискання
Σ deg(v) = 2|E|
Повні графи
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Регулярний граф
|E| = n·k/2
Дерево і ліс
|E| = n − 1, |E| = n − c
Листки дерева
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Ейлер
цикл: усі степені парні; шлях: рівно 2 непарні степені
Гамільтонові цикли в Kn
(n − 1)!/2
Оновлення в алгоритмі Дейкстри
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Маршрути довжиною L
(Mᴸ)ij

Метод

  1. Випишіть степінь кожної вершини; сума степенів дорівнює подвоєній кількості ребер.
  2. У задачах про Ейлера перевірте, що граф зв’язний, і порахуйте вершини з непарним степенем.
  3. Для дерев використовуйте n − 1 ребро та лему про рукостискання.
  4. Для алгоритму Дейкстри ведіть таблицю попередніх відстаней і щоразу фіксуйте незафіксовану вершину з найменшою відстанню.
  5. Для мінімального остовного дерева відсортуйте ребра за вагою й пропускайте кожне ребро, що замикає цикл (Крускал), або нарощуйте одне дерево від початкової вершини (Прім).

2Задачі для практики

1.Алгоритми та складністьСередня

Часова складність наївного рекурсивного обчислення чисел Фібоначчі (fib(n) = fib(n−1) + fib(n−2)) є:

  1. AЛогарифмічною
  2. BСталою
  3. CЛінійною
  4. DЕкспоненційною
2.Алгоритми та складністьСкладна

За основною теоремою (master theorem) розв'язком T(n) = 8T(n/2) + O(n²) є:

  1. AΘ(n³)
  2. BΘ(n²)
  3. CΘ(n log n)
  4. DΘ(n² log n)
3.Структури данихСередня

Чергу реалізовано двома стеками: push у стек «in» і pop зі стека «out», який поповнюють із «in», коли він порожній. Яка амортизована вартість однієї операції?

  1. AO(log n)
  2. BO(n)
  3. CO(1)
  4. DO(n²)
4.Структури данихСкладна

Алгоритм Кана для топологічного сортування раз у раз видаляє вершини з напівстепенем входу 0. Яка структура зберігає ці вершини?

  1. AСтек усіх відвіданих ребер
  2. BМатриця суміжності, що фіксує, які вершини вже видалено
  3. CМакс-купа, упорядкована за напівстепенем виходу
  4. DЧерга (або будь-яка колекція) вершин із напівстепенем входу 0
5.Теорія графівСередня

Дерево має 2 вершин степеня 3, 4 вершин степеня 2, а всі його інші вершини — листки (степінь 1). Скільки листків L воно має?

2 × deg 34 × deg 2
L =
6.Теорія графівСкладна
156419118713ABCDEF

Знайдіть загальну вагу W мінімального остовного дерева зваженого графа.

|V| = 6|E| = 8
W =

3Розчини

1.Алгоритми та складність

Відповідь: D · Експоненційною

Чому це відповідь

Дерево викликів зростає приблизно як φⁿ (близько 1,618ⁿ). Мемоізація зменшує складність до O(n).

Відповідь

D · Експоненційною
2.Алгоритми та складність

Відповідь: A · Θ(n³)

Чому це відповідь

log₂ 8 = 3, а n² зростає повільніше за n³, тому домінують листки: Θ(n³).

Відповідь

A · Θ(n³)
3.Структури даних

Відповідь: C · O(1)

Чому це відповідь

Кожен елемент загалом заноситься й виймається щонайбільше двічі, тож хоча одне поповнення може тривати O(n), середня вартість для послідовності операцій становить O(1).

Відповідь

C · O(1)
4.Структури даних

Відповідь: D · Черга (або будь-яка колекція) вершин із напівстепенем входу 0

Чому це відповідь

Готові вершини зберігаються в черзі; видалення однієї зменшує напівстепені входу її сусідів, і ті, що досягли 0, додаються, що дає час O(V + E).

Відповідь

D · Черга (або будь-яка колекція) вершин із напівстепенем входу 0
5.Теорія графів

Відповідь: L = 4

Ейлер, Гамільтон і дерева: зв’язний граф має ейлерів цикл (кожне ребро один раз, з поверненням до початку), коли кожна вершина має парний степінь, і ейлерів шлях, що не є циклом, коли рівно дві вершини мають непарний степінь; тоді шлях іде від однієї непарної вершини до другої. Гамільтонів цикл відвідує кожну вершину один раз; у Kn їх (n − 1)!/2. Дерево на n вершинах має n − 1 ребро, а зв’язний граф з m ребрами зберігає остовне дерево після вилучення m − n + 1 ребер.

Лема про рукостискання для дерева

L + 14 = 2(L + 6) − 2
L = 4

Відповідь

L = 4

Скорочення: L = 2 + Σ (d − 2) за вершинами зі степенем d ≥ 3.

6.Теорія графів

Відповідь: W = 36

Найкоротші шляхи та остовні дерева: алгоритм Дейкстри фіксує одну вершину за раунд: незафіксовану вершину з найменшою попередньою відстанню. Її відстань тоді остаточна, а кожен сусід v отримує d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Алгоритм Крускала будує мінімальне остовне дерево, беручи ребра від легких до важких і пропускаючи кожне ребро, що замкнуло б цикл; алгоритм Пріма нарощує одне дерево від початкової вершини, завжди додаючи найлегше ребро, що виходить з нього. Остовне дерево з n вершин має n − 1 ребро.

Алгоритм Крускала

CE (1): взяти
BC (4): взяти
AC (6): взяти
EF (7): взяти
BE (13): пропустити, замикає цикл
AB (15): пропустити, замикає цикл
DF (18): взяти

Загальна вага

W = 1 + 4 + 6 + 7 + 18 = 36

Відповідь

W = 36

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