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

用自底向上的表格计算第 n 个斐波那契数,时间复杂度是多少?

  1. AO(log n)
  2. BO(n)
  3. CO(2ⁿ)
  4. DO(n²)
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(n log n)
  2. BΘ(n³)
  3. CΘ(n²)
  4. DΘ(n² log n)
3.数据结构中等

一棵高度为 h(以边数计)的满二叉树有多少个节点?

  1. Ah2
  2. B2h
  3. C2h + 1
  4. D2h+1 − 1
4.数据结构困难

红黑树必须满足哪条性质?

  1. A从任一节点到其所有后代叶子的每条路径上,黑色节点的数量都相同
  2. B每个红色节点的子节点必须是红色,因此红色节点总是沿着通向叶子的路径连成不间断的链
  3. C根节点必须是红色
  4. D每个节点都必须是红色
5.图论中等

一棵树有 2 个度为 5 的顶点,其余所有顶点都是叶子(度为 1)。它有多少片叶子 L?

2 × deg 5
L =
6.图论困难
12211541515122ABCDEFG

迪杰斯特拉算法从 A 开始运行。点选在第 4 轮被确定(成为永久标号)的顶点;A 本身是第 1 轮。

起点:A轮 4
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
  7. 7G

3溶液

1.算法与复杂度

答案: B · O(n)

为什么是这个答案

从 0 到 n 填表时每项只需一次加法,因此工作量是线性的,而不是指数级的。

答案

B · O(n)
2.算法与复杂度

答案: B · 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

B · Θ(n³)
3.数据结构

答案: D · 2h+1 − 1

为什么是这个答案

求和 1 + 2 + 4 + ... + 2h 得到 2h+1 − 1;例如,高度为 2 时有 7 个节点。

答案

D · 2h+1 − 1
4.数据结构

答案: A · 从任一节点到其所有后代叶子的每条路径上,黑色节点的数量都相同

为什么是这个答案

红黑树规则:节点为红色或黑色,根为黑色,红色节点的子节点为黑色,所有路径的黑高相同,从而使高度 ≤ 2 log₂(n + 1)。

答案

A · 从任一节点到其所有后代叶子的每条路径上,黑色节点的数量都相同
5.图论

答案: L = 8

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 + 10 = 2(L + 2) − 2
L = 8

答案

L = 8

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

6.图论

答案: G

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

1. A (0): B: 12, C: 2
2. C (2): E: 7, G: 17
3. E (7): G: 9
4. G (9): D: 21
5. B (12)
6. D (21): F: 25
7. F (25)

轮 4

G

答案

G

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