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

递推式 T(n) = 2T(n/2) + O(n) 的解是：

  1. AO(log n)
  2. BO(n)
  3. CO(n²)
  4. DO(n log n)
2.算法与复杂度困难

取一个极大匹配中每条边的两个端点，可以得到一个顶点覆盖。这个覆盖有多好？

  1. A与最优解相比质量未知
  2. B总是一个最小顶点覆盖
  3. C至多是最小顶点覆盖大小的两倍
  4. D至多是最小值的 log n 倍
3.数据结构中等

在二叉最小堆中，extract-min 是如何工作的？

  1. A删除数组的最后一个元素
  2. B把最后一个元素移到根上，再将其下沉
  3. C在所有叶子中查找新的最小值
  4. D删除根，并把所有元素左移一位
4.数据结构困难

一个动态数组在满时容量翻倍。为什么许多实现只在它只有四分之一满时才缩容，而不是一半满时？

  1. A为了使数组保持有序
  2. B因为在一半满时减半会丢失元素
  3. C为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小
  4. D因为内存分配器只能以块的四分之一为单位释放内存
5.图论中等

一棵树有 4 个度为 3 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 3
L =
6.图论困难
51087111421411414ABCDEFG

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: D · O(n log n)

为什么是这个答案

根据主定理（master theorem）（a = 2, b = 2, f(n) = n），T(n) = Θ(n log n)。

答案

D · O(n log n)
2.算法与复杂度

答案: C · 至多是最小顶点覆盖大小的两倍

为什么是这个答案

匹配边之间没有公共顶点，因此最优解对每条边至少需要一个顶点，而这种方法取了两个：这是一个 2-近似算法。

答案

C · 至多是最小顶点覆盖大小的两倍
3.数据结构

答案: B · 把最后一个元素移到根上，再将其下沉

为什么是这个答案

最后一个元素填补根上的空位，并与其较小的子节点交换，直到满足堆性质，耗时 O(log n)。

答案

B · 把最后一个元素移到根上，再将其下沉
4.数据结构

答案: C · 为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小

为什么是这个答案

在一半满时缩容，可能使这样的操作序列中每次操作都触发一次调整大小；1/4 与满之间的间隔使均摊代价保持在 O(1)。

答案

C · 为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小
5.图论

答案: L = 6

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 + 12 = 2(L + 4) − 2
L = 6

答案

L = 6

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): B: 5, C: 10
B (5): D: 13, G: 19
C (10): E: 17, G: 11
G (11)
D (13): F: 27
E (17): F: 19
F (19)

最短路径

A → C → E → F
d(F) = 19

答案

d(F) = 19

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