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

当问题具有以下特征时，动态规划（dynamic programming）很有用：

  1. A完全没有子问题，因此一步就能解决
  2. B只有一个循环
  3. C重叠子问题和最优子结构
  4. D只有随机输入
2.算法与复杂度困难

递推式 T(n) = 2T(n/2) + n log n 的解是什么？

  1. AΘ(n log² n)
  2. BΘ(n log n)
  3. CΘ(n)
  4. DΘ(n²)
3.数据结构中等

如何向二叉堆中插入一个新元素？

  1. A从头重建整个堆
  2. B通过把所有更大的元素右移一位，将它插入到有序位置
  3. C把它放在根上，再将其下沉（sift down）
  4. D把它放在数组末尾，只要它违反堆性质就将其上浮（sift up）
4.数据结构困难

关于堆排序，下列哪个说法是正确的？

  1. A它需要一棵二叉搜索树作为额外存储，因此使用 O(n) 的额外内存
  2. B它是稳定的，并且需要 O(n) 的额外内存
  3. C它在最坏情况下以 O(n log n) 时间原地排序，但不稳定
  4. D它在任何输入上都以 O(n) 时间运行
5.图论中等

一个连通图有 6 个顶点和 15 条边。必须去掉多少条边 k 才能剩下一棵生成树？

|V| = 6|E| = 15
k =
6.图论困难
141233146154116ABCDEFG

用迪杰斯特拉算法求带权图中从 A 到 E 的最短路径的长度 d(E)。

起点：A终点：E
d(E) =

3溶液

1.算法与复杂度

答案: C · 重叠子问题和最优子结构

为什么是这个答案

存储重叠子问题的结果（记忆化或制表）可以避免重复计算，把指数时间算法变成多项式时间算法。

答案

C · 重叠子问题和最优子结构
2.算法与复杂度

答案: A · Θ(n log² n)

为什么是这个答案

第 k 层的工作量约为 n log(n / 2ᵏ)，对 log n 层求和得到 Θ(n log² n)，这是主定理第二种情况的推广形式。

答案

A · Θ(n log² n)
3.数据结构

答案: D · 把它放在数组末尾，只要它违反堆性质就将其上浮（sift up）

为什么是这个答案

在末尾添加可以使树保持完全；与父节点交换可在 O(log n) 步内恢复顺序。

答案

D · 把它放在数组末尾，只要它违反堆性质就将其上浮（sift up）
4.数据结构

答案: C · 它在最坏情况下以 O(n log n) 时间原地排序，但不稳定

为什么是这个答案

堆排序先建立最大堆，然后在同一个数组内提取最大值 n 次；远距离的交换可能打乱相等键的顺序。

答案

C · 它在最坏情况下以 O(n log n) 时间原地排序，但不稳定
5.图论

答案: k = 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。

生成树的边数

6 − 1 = 5

要去掉的边数

k = 15 − 5 = 10

答案

k = 10
6.图论

答案: d(E) = 23

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: 14, C: 12
C (12): E: 26, G: 23
B (14): D: 17, G: 18
D (17): E: 23, F: 32
G (18)
E (23)
F (32)

最短路径

A → B → D → E
d(E) = 23

答案

d(E) = 23

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