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 задачі Назад 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(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,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 K_n: (n − 1)!/2
Оновлення в алгоритмі Дейкстри: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Маршрути довжиною L: (Mᴸ)_ij

Метод

Випишіть степінь кожної вершини; сума степенів дорівнює подвоєній кількості ребер.
У задачах про Ейлера перевірте, що граф зв’язний, і порахуйте вершини з непарним степенем.
Для дерев використовуйте n − 1 ребро та лему про рукостискання.
Для алгоритму Дейкстри ведіть таблицю попередніх відстаней і щоразу фіксуйте незафіксовану вершину з найменшою відстанню.
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

Яка часова складність швидкого сортування (quicksort) у найгіршому випадку?

AO(n log n)
BO(n)
CO(n²)
DO(log n)

2.Алгоритми та складністьСкладна

Множення Карацуби задовольняє T(n) = 3T(n/2) + O(n). Який розв'язок?

AΘ(n^{log₂ 3}), близько n^1,585
BΘ(n³)
CΘ(n²)
DΘ(n 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?

AO(n²)
BO(1)
CO(n)
DO(log n)

4.Структури данихСкладна

Яка структура дає змогу обчислити максимум кожного вікна розміру k у масиві за загальний час O(n)?

AОднозв'язний список елементів вікна
BВідсортований масив, що оновлюється зсувом
CДек, що зберігає індекси в порядку спадання значень
DМін-купа, перебудована для кожного вікна

5.Теорія графівСередня

Зв’язний граф має 11 вершин і 21 ребер. Скільки ребер k треба вилучити, щоб залишилося остовне дерево?

|V| = 11|E| = 21

k =

6.Теорія графівСкладна

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

початок: Aкінець: D

d(D) =

3Розчини

1.Алгоритми та складність

Відповідь: C · O(n²)

Чому це відповідь

За постійно невдалого вибору опорних елементів (наприклад, уже відсортовані дані й перший елемент як опорний) розбиття незбалансовані, що дає O(n²). У середньому випадку складність становить O(n log n).

Відповідь

C · O(n²)

2.Алгоритми та складність

Відповідь: A · Θ(n^{log₂ 3}), близько n^1,585

Чому це відповідь

Оскільки log₂ 3 ≈ 1,585 > 1, за основною теоремою домінують листки, що краще за шкільний метод O(n²).

Відповідь

A · Θ(n^{log₂ 3}), близько n^1,585

3.Структури даних

Відповідь: B · 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

B · O(1)

4.Структури даних

Відповідь: C · Дек, що зберігає індекси в порядку спадання значень

Чому це відповідь

Початок дека завжди є максимумом вікна; кожен індекс входить у дек і виходить із нього один раз, тож обсяг роботи лінійний.

Відповідь

C · Дек, що зберігає індекси в порядку спадання значень

5.Теорія графів

Відповідь: k = 11

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 K_n 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.

Ребра остовного дерева

11 − 1 = 10

Ребра для вилучення

k = 21 − 10 = 11

Відповідь

k = 11

6.Теорія графів

Відповідь: d(D) = 25

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: 10, C: 13

B (10): D: 25, E: 24

C (13): E: 23

E (23): F: 34

D (25)

F (34)

Найкоротший шлях

A → B → D

d(D) = 25

Відповідь

d(D) = 25

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