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

Жадібний алгоритм:

  1. AПеребирає всі можливі розв'язки
  2. BНа кожному кроці робить локально найкращий вибір
  3. CЗавжди дає оптимальний розв'язок
  4. DВикористовує лише рекурсію
2.Алгоритми та складністьСкладна

Алгоритм Штрассена множить матриці, використовуючи 7 замість 8 рекурсивних множень блоків половинного розміру. Який його час виконання?

  1. AΘ(n2)
  2. BΘ(nlog₂ 7), близько n2,81
  3. CΘ(n³)
  4. DΘ(n² log n)
3.Структури данихСередня

Де розташований батько вузла з індексом i в бінарній купі, що зберігається в масиві з індексацією від 0?

  1. AВ індексі ⌊i / 2⌋ + 1
  2. BВ індексі i − 1
  3. CВ індексі 2i + 1
  4. DВ індексі ⌊(i − 1) / 2⌋
4.Структури данихСкладна

Якій властивості має відповідати червоно-чорне дерево?

  1. AКожен червоний вузол повинен мати червоних дітей, тож червоні вузли завжди утворюють неперервні ланцюги до листків
  2. BКожен вузол має бути червоним
  3. CКорінь має бути червоним
  4. DКожен шлях від вузла до його листків-нащадків містить однакову кількість чорних вузлів
5.Теорія графівСередня

Дерево має 4 вершин степеня 5, а всі його інші вершини — листки (степінь 1). Скільки листків L воно має?

4 × deg 5
L =
6.Теорія графівСкладна
131657141115201710ABCDEFG

Алгоритм Пріма будує мінімальне остовне дерево, починаючи з вершини A. Клікніть ребро, яке він додає як ребро номер 6.

початок: Ak = 6
  1. 1ребро AB
  2. 2ребро BC
  3. 3ребро CE
  4. 4ребро DE
  5. 5ребро DF
  6. 6ребро EF
  7. 7ребро GB
  8. 8ребро GC
  9. 9ребро GD
  10. 10ребро GE

3Розчини

1.Алгоритми та складність

Відповідь: B · На кожному кроці робить локально найкращий вибір

Чому це відповідь

Жадібні алгоритми швидкі й для деяких задач оптимальні (наприклад, алгоритм Дейкстри, кодування Гаффмана), але не загалом (наприклад, задача про видачу решти для деяких систем монет).

Відповідь

B · На кожному кроці робить локально найкращий вибір
2.Алгоритми та складність

Відповідь: B · Θ(nlog₂ 7), близько n2,81

Чому це відповідь

За a = 7 і b = 2 nlog₂ 7 домінує над роботою додавання O(n²), що дає близько n2,81.

Відповідь

B · Θ(nlog₂ 7), близько n2,81
3.Структури даних

Відповідь: D · В індексі ⌊(i − 1) / 2⌋

Чому це відповідь

Діти i розташовані в 2i + 1 і 2i + 2, тож батько i — це ⌊(i − 1) / 2⌋; за індексації від 1 це ⌊i / 2⌋.

Відповідь

D · В індексі ⌊(i − 1) / 2⌋
4.Структури даних

Відповідь: D · Кожен шлях від вузла до його листків-нащадків містить однакову кількість чорних вузлів

Чому це відповідь

Правила червоно-чорного дерева: вузли червоні або чорні, корінь чорний, діти червоних вузлів чорні, а всі шляхи мають однакову чорну висоту, що утримує висоту ≤ 2 log₂(n + 1).

Відповідь

D · Кожен шлях від вузла до його листків-нащадків містить однакову кількість чорних вузлів
5.Теорія графів

Відповідь: L = 14

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 + 20 = 2(L + 4) − 2
L = 14

Відповідь

L = 14

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

6.Теорія графів

Відповідь: ребро EF

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 Пріма

1. AB (13)
2. GB (15)
3. GE (10)
4. CE (5)
5. DE (7)
6. EF (11)

номер ребра 6

EF

Відповідь

ребро EF

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