数据结构与算法:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 6 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

图论

握手引理
Σ deg(v) = 2|E|
完全图
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
正则图
|E| = n·k/2
树与森林
|E| = n − 1, |E| = n − c
树的叶子
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
欧拉
回路:所有顶点度数为偶数; 通路:恰有 2 个奇度顶点
Kn 中的哈密顿回路
(n − 1)!/2
迪杰斯特拉更新
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
长度为 L 的途径
(Mᴸ)ij

方法

  1. 写出每个顶点的度数;所有度数之和等于边数的两倍。
  2. 对于欧拉问题,先检查图是否连通,再数一数奇度顶点的个数。
  3. 对于树,利用 n − 1 条边和握手引理。
  4. 对于迪杰斯特拉算法,保留一张暂定距离表,每一轮确定未确定顶点中距离最小的那个。
  5. 对于最小生成树,把边按权重排序,跳过每条会形成圈的边(克鲁斯卡尔算法),或者从一个起点出发扩展一棵树(普里姆算法)。

2练习题

1.算法与复杂度中等

硬币面值为 1、3 和 4,金额为 6,贪心的"先取最大硬币"方法使用多少枚硬币?与最优解相比如何?

  1. A贪心用 3 枚;最优解是 2 枚
  2. B贪心用 4 枚;最优解是 3 枚
  3. C贪心用 2 枚;最优解是 2 枚
  4. D贪心用 3 枚;最优解是 3 枚
2.算法与复杂度困难

使用主定理,T(n) = 8T(n/2) + O(n²) 的解是:

  1. AΘ(n³)
  2. BΘ(n²)
  3. CΘ(n² log n)
  4. DΘ(n log n)
3.数据结构中等

在存储于容量为 n 的数组中的循环队列里,下标 i 之后的下一个位置如何计算?

  1. A2i + 1
  2. Bi + 1
  3. C(i + 1) mod n
  4. D(i − 1) mod n
4.数据结构困难

红黑树的规则对含 n 个键的树的高度给出了什么保证?

  1. A高度至多为 2 log2(n + 1)
  2. B高度至多为 log2 n + 1
  3. C高度至多为 n / 2
  4. D高度恰好为 log2 n
5.图论中等

一棵树有 4 个度为 4 的顶点, 4 个度为 2 的顶点,其余所有顶点都是叶子(度为 1)。它有多少片叶子 L?

4 × deg 44 × deg 2
L =
6.图论困难
3142891441311ABCDEFG

用迪杰斯特拉算法求带权图中从 A 到 F 的最短路径的长度 d(F)。

起点:A终点:F
d(F) =

3溶液

1.算法与复杂度

答案: A · 贪心用 3 枚;最优解是 2 枚

为什么是这个答案

贪心取 4 + 1 + 1,共 3 枚,而 3 + 3 只用 2 枚,因此对这种硬币体系贪心不是最优的;动态规划才是。

答案

A · 贪心用 3 枚;最优解是 2 枚
2.算法与复杂度

答案: A · Θ(n³)

为什么是这个答案

log₂ 8 = 3,且 n² 比 n³ 增长慢,因此叶子层占主导:Θ(n³)。

答案

A · Θ(n³)
3.数据结构

答案: C · (i + 1) mod n

为什么是这个答案

取模运算把下标 n − 1 回绕到 0,因此数组可以被重复使用而无需移动元素。

答案

C · (i + 1) mod n
4.数据结构

答案: A · 高度至多为 2 log2(n + 1)

为什么是这个答案

每条路径上的黑色节点数相同,且红色节点不能相邻,因此最长路径至多是最短路径的两倍,从而高度为 O(log n)。

答案

A · 高度至多为 2 log2(n + 1)
5.图论

答案: L = 10

欧拉、哈密顿与树:连通图在每个顶点度数都为偶数时有欧拉回路(每条边经过一次,回到起点),在恰有两个顶点度数为奇数时有不是回路的欧拉通路;此时通路从一个奇度顶点走到另一个奇度顶点。哈密顿回路恰好经过每个顶点一次;Kn 有 (n − 1)!/2 条。n 个顶点的树有 n − 1 条边,有 m 条边的连通图在去掉 m − n + 1 条边后保留一棵生成树。

树的握手引理

L + 24 = 2(L + 8) − 2
L = 10

答案

L = 10

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

6.图论

答案: d(F) = 19

最短路径与生成树:迪杰斯特拉算法每一轮确定一个顶点:暂定距离最小的未确定顶点。它的距离随即成为最终值,并且每个邻点 v 得到 d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))。克鲁斯卡尔算法按从轻到重的顺序取边并跳过会形成圈的边,从而构造最小生成树;普里姆算法从一个起点出发扩展一棵树,每次加入离开这棵树的最轻的边。n 个顶点的生成树有 n − 1 条边。

迪杰斯特拉算法逐轮过程

每一行:被确定的顶点、它的最终距离,以及距离得到改进的邻点。

A (0): C: 3
C (3): E: 5, G: 16
E (5): D: 13, F: 19
D (13): B: 27
G (16): B: 20
F (19)
B (20)

最短路径

A → C → E → F
d(F) = 19

答案

d(F) = 19

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