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 2 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 3 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

关于类 NP 的哪个定义是正确的?

  1. A给定证书时,其"是"答案能在多项式时间内验证的判定问题
  2. B非多项式的问题
  3. C不能在多项式时间内求解的问题
  4. D任何算法都无法求解的问题
3.数据结构中等

一个应用需要快速查找,还需要按有序顺序列出键并回答范围查询。哪种结构最合适?

  1. A平衡二叉搜索树
  2. B无序链表
  3. C栈
  4. D哈希表
4.数据结构困难

布隆过滤器(Bloom filter)回答"该元素是否在集合中?"时:

  1. A可能出现假阳性,但不会出现假阴性
  2. B总是给出精确答案
  3. C可能出现假阴性,但不会出现假阳性
  4. D只能回答数字的情况
5.图论中等
ABCDE欧拉回路有欧拉通路,无回路都不是

这个连通图有欧拉回路、有不是回路的欧拉通路,还是两者都没有?点选你的答案。

|V| = 5|E| = 6
  1. 1欧拉回路
  2. 2有欧拉通路,无回路
  3. 3都不是
6.图论困难
201784151219187ABCDEF

求带权图的最小生成树的总权重 W。

|V| = 6|E| = 9
W =

3溶液

1.算法与复杂度

答案: C · 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

C · 贪心用 3 枚;最优解是 2 枚
2.算法与复杂度

答案: A · 给定证书时,其"是"答案能在多项式时间内验证的判定问题

为什么是这个答案

对于 NP 问题,一个候选解(证书)可以被快速检验,例如验证给定的赋值是否满足一个布尔公式。

答案

A · 给定证书时,其"是"答案能在多项式时间内验证的判定问题
3.数据结构

答案: A · 平衡二叉搜索树

为什么是这个答案

平衡 BST 提供 O(log n) 的查找并使键保持有序,因此中序遍历和范围查询都很容易;哈希表则把键打散存放。

答案

A · 平衡二叉搜索树
4.数据结构

答案: A · 可能出现假阳性,但不会出现假阴性

为什么是这个答案

如果某元素对应的任一位为 0,则它一定不存在;如果全部为 1,则它很可能存在。布隆过滤器以牺牲准确性换取极少的内存占用。

答案

A · 可能出现假阳性,但不会出现假阴性
5.图论

答案: 都不是

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。

度

deg(A) = 2, deg(B) = 3, deg(C) = 3, deg(D) = 1, deg(E) = 3

奇度顶点

B, C, D, E → 4
都不是

答案

都不是
6.图论

答案: W = 54

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。

克鲁斯卡尔算法

BD (4): 取
BE (7): 取
BC (8): 取
DE (12): 跳过,会形成圈
CE (15): 跳过,会形成圈
AC (17): 取
EF (18): 取

总权重

W = 4 + 7 + 8 + 17 + 18 = 54

答案

W = 54

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