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

Нижня межа для сортування на основі порівнянь у найгіршому випадку становить:

  1. AΩ(log n)
  2. BΩ(n log n)
  3. CΩ(n²)
  4. DΩ(n)
2.Алгоритми та складністьСкладна

Які дві речі треба показати, щоб довести, що задача розпізнавання X є NP-повною?

  1. AX належить до P, і X зводиться до SAT
  2. BX не має поліноміального алгоритму, і X розв'язна
  3. CX зводиться до задачі з P, і X належить до NP
  4. DX належить до NP, і відома NP-повна задача зводиться до X за поліноміальний час
3.Структури данихСередня

Чому обхід масиву на практиці часто значно швидший, ніж обхід зв'язного списку такої самої довжини?

  1. AЗв'язні списки завжди зберігають елементи на диску
  2. BМасиви використовують менше інструкцій для порівняння значень
  3. CОбхід масиву загалом має складність O(1), а обхід зв'язного списку — O(n)
  4. DЕлементи масиву розташовані суцільно, тож добре використовують кеш процесора
4.Структури данихСкладна

Які операції підтримує дерево Фенвіка (binary indexed tree) над масивом із n чисел за O(log n)?

  1. AВставлення елементів у будь-яку позицію
  2. BЗнаходження медіани за O(1)
  3. CЗапити префіксних сум і оновлення окремих елементів
  4. DСортування масиву та бінарний пошук
5.Теорія графівСередня

Дерево має 2 вершин степеня 3, 2 вершин степеня 5, а всі його інші вершини — листки (степінь 1). Скільки листків L воно має?

2 × deg 32 × deg 5
L =
6.Теорія графівСкладна
615881110962ABCDEFG

Скористайтеся алгоритмом Дейкстри, щоб знайти довжину d(F) найкоротшого шляху від A до F у зваженому графі.

початок: Aкінець: F
d(F) =

3Розчини

1.Алгоритми та складність

Відповідь: B · Ω(n log n)

Чому це відповідь

Будь-якому сортуванню порівняннями в найгіршому випадку потрібно щонайменше log₂(n!) ≈ n log n порівнянь. Сортування підрахунком (counting sort) обходить цю межу, бо не порівнює елементи.

Відповідь

B · Ω(n log n)
2.Алгоритми та складність

Відповідь: D · X належить до NP, і відома NP-повна задача зводиться до X за поліноміальний час

Чому це відповідь

Належність до NP показує, що X не складніша за NP; зведення від відомої NP-повної задачі показує, що X щонайменше така ж складна, як увесь NP.

Відповідь

D · X належить до NP, і відома NP-повна задача зводиться до X за поліноміальний час
3.Структури даних

Відповідь: D · Елементи масиву розташовані суцільно, тож добре використовують кеш процесора

Чому це відповідь

Суцільна пам'ять забезпечує добру локальність звертань, а зв'язані вузли можуть бути розкидані й спричиняти багато кеш-промахів.

Відповідь

D · Елементи масиву розташовані суцільно, тож добре використовують кеш процесора
4.Структури даних

Відповідь: C · Запити префіксних сум і оновлення окремих елементів

Чому це відповідь

Дерево Фенвіка зберігає часткові суми на діапазонах, визначених молодшими бітами кожного індексу, тож і префіксні суми, і точкові оновлення займають O(log n).

Відповідь

C · Запити префіксних сум і оновлення окремих елементів
5.Теорія графів

Відповідь: L = 10

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 + 16 = 2(L + 4) − 2
L = 10

Відповідь

L = 10

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

6.Теорія графів

Відповідь: d(F) = 31

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 Дейкстри раунд за раундом

Кожен рядок: зафіксована вершина, її остаточна відстань і сусіди, чия відстань покращується.

A (0): B: 6, C: 15
B (6): C: 14
C (14): E: 22, G: 20
G (20): D: 22
D (22): F: 32
E (22): F: 31
F (31)

Найкоротший шлях

A → B → C → E → F
d(F) = 31

Відповідь

d(F) = 31

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