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

朴素递归斐波那契(fib(n) = fib(n−1) + fib(n−2))的时间复杂度是:

  1. A对数级
  2. B指数级
  3. C常数
  4. D线性
2.算法与复杂度困难

哪种技术能使快速排序在任意输入上的期望运行时间为 O(n log n)?

  1. A均匀随机地选择基准
  2. B在运行快速排序前先对输入排序
  3. C只对左侧进行递归
  4. D总是选择第一个元素
3.数据结构中等

如果按已排序的顺序插入键,含 n 个节点的二叉搜索树在最坏情况下的高度是多少?

  1. A√n
  2. Bn(退化为链表)
  3. C1
  4. Dlog₂ n
4.数据结构困难

与有序链表相比,跳表(skip list)的主要优势是什么?

  1. A它以无序方式存储键
  2. B它不占用额外内存
  3. C利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找
  4. D保证 O(1) 的查找,因为每个节点都存有指向其他所有节点的指针
5.图论中等

一棵树有 3 个度为 3 的顶点, 2 个度为 4 的顶点, 4 个度为 5 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?

3 × deg 32 × deg 44 × deg 54 × deg 2
L =
6.图论困难
ABCDEF

从 D 到 F 的长度为 3 的途径有多少条?途径可以重复顶点和边。把这个数记作 N。

M = 邻接矩阵L = 3
N =

3溶液

1.算法与复杂度

答案: B · 指数级

为什么是这个答案

调用树大约按 φⁿ(约 1.618ⁿ)增长。记忆化可将其降为 O(n)。

答案

B · 指数级
2.算法与复杂度

答案: A · 均匀随机地选择基准

为什么是这个答案

使用随机基准时,对每个输入的期望运行时间都是 O(n log n);坏情况依然存在,但发生的概率极低。

答案

A · 均匀随机地选择基准
3.数据结构

答案: B · n(退化为链表)

为什么是这个答案

有序插入会生成高度为 n 的退化树,使查找变为 O(n)。平衡树可以避免这种情况。

答案

B · n(退化为链表)
4.数据结构

答案: C · 利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找

为什么是这个答案

随机化的层级使查找能够跳过许多节点,从而使查找、插入和删除的期望时间为 O(log n)。

答案

C · 利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找
5.图论

答案: L = 21

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 + 45 = 2(L + 13) − 2
L = 21

答案

L = 21

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

6.图论

答案: N = 4

度:顶点的度是与它相连的边的条数。每条边有两个端点,所以度数之和等于边数的两倍:Σ deg(v) = 2|E|(握手引理)。因此奇度顶点的个数是偶数。Kn 有 n(n − 1)/2 条边,n 个顶点的 k-正则图有 nk/2 条边,n 个顶点的树有 n − 1 条边。

邻接矩阵

A: 0 1 1 0 0 0
B: 1 0 0 1 1 0
C: 1 0 0 0 1 0
D: 0 1 0 0 0 1
E: 0 1 1 0 0 1
F: 0 0 0 1 1 0

再走一步

(M³)DF = 1·0 + 0·0 + 0·0 + 2·1 + 2·1 + 0·0 = 4

答案

N = 4

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