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

为什么动态规划不能真正加速归并排序？

  1. A它的子问题不重叠，因此没有可以复用的结果
  2. B归并排序已经是 O(n)
  3. C动态规划只适用于图问题，不适用于数组
  4. D归并排序没有递归结构
2.算法与复杂度困难

为什么哈希表的平均查找时间是 O(1)，而最坏情况是 O(n)？

  1. A哈希函数运行很慢
  2. B键必须先排序
  3. C许多键可能冲突（collision）到同一个桶中
  4. D数组的访问时间是 O(n)
3.数据结构中等

把键 50、30、70、20、40 按此顺序插入一棵空的二叉搜索树。30 的左子节点是什么？

  1. A20
  2. B50
  3. C40
  4. D70
4.数据结构困难

原地反转一个单链表的时间和额外空间代价各是多少？

  1. AO(n log n) 时间和 O(1) 额外空间
  2. BO(n) 时间和 O(1) 额外空间
  3. CO(n) 时间和 O(n) 额外空间
  4. DO(1) 时间和 O(1) 额外空间
5.图论中等

完全图 K5 有多少条不同的哈密顿回路 H？只是起点或方向不同的回路算作同一条。

K5
H =
6.图论困难
1441111621541414ABCDEFG

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: A · 它的子问题不重叠，因此没有可以复用的结果

为什么是这个答案

归并排序的两个半部分互不相交，每个只求解一次；只有当子问题重复出现时（如斐波那契），DP 才有帮助。

答案

A · 它的子问题不重叠，因此没有可以复用的结果
2.算法与复杂度

答案: C · 许多键可能冲突（collision）到同一个桶中

为什么是这个答案

在哈希函数和负载因子（load factor）良好的情况下，桶的平均长度很短；恶意构造的输入或较差的哈希可能把所有键放进同一个桶。

答案

C · 许多键可能冲突（collision）到同一个桶中
3.数据结构

答案: A · 20

为什么是这个答案

20 比 50 小，也比 30 小，因此成为 30 的左子节点；40 成为 30 的右子节点。

答案

A · 20
4.数据结构

答案: B · O(n) 时间和 O(1) 额外空间

为什么是这个答案

保持三个指针（previous、current、next），就可以在一次遍历中反转每个链接，而无需分配新节点。

答案

B · O(n) 时间和 O(1) 额外空间
5.图论

答案: H = 12

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。

计数

H = (5 − 1)!/2 = 24/2 = 12

答案

H = 12
6.图论

答案: d(F) = 31

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): C: 14
C (14): B: 18, E: 25, G: 28
B (18): D: 29, G: 22
G (22)
E (25): F: 40
D (29): F: 31
F (31)

最短路径

A → C → B → D → F
d(F) = 31

答案

d(F) = 31

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