Algoritmuselmélet - Vizsga, 2013.05.30.

2013.06.06. vizsga megoldásai

1. Feladat

TODO

Megoldás

TODO

2. Feladat (Van megoldás)

Adja meg a 2-3 fa definícióját! Adjon felső becslést a fa szintszámára n tárolt elem esetén, állítását bizonyítsa is!

Megoldás

Adja meg a 2-3 fa definícióját!

• Elemeket csak a levelekben tárolunk.
• Az elemek balról jobbra növekvő sorrendben állnak.
• Minden belső csúcsnak 2, vagy 3 fia lehet, se több, se kevesebb. (Kivéve, ha csak 1 elemet tárolunk a fában, mert akkor a gyökérnek csak 1 fia van.)
• A fa levelei a gyökértől egyenlő távolságra vannak (vagyis a levelek 1 szinten vannak).
• A belső csúcsokban mutatókat (M) és 1, vagy 2 elemet (S) tárolunk.
  • Ha a csúcsnak 2 fia van, akkor 2 mutatót, és egy elememet tárol. 300px
    • A bal részfában az elemek kisebbek, mint S1.
    • A jobb részfában az elemek nagyobb-egyenlőek, mint S1 (vagyis az 1. elem S1).
  • Ha a csúcsnak 3 fia van, akkor 3 mutatót, és 2 elemet tárol. 400px
    • A bal részfában az elemek kisebbek, mint S1.
    • A középső részfában az elemek nagyobb-egyenlőek, mint S1 (vagyis az 1. elem S1), de kisebbek, mint S2.
    • A jobb részfában az elemek nagyobb-egyenlőek, mint S2 (vagyis az 1. elem S2).

400px

Adjon felső becslést a fa szintszámára n tárolt elem esetén, állítását bizonyítsa is!

[math]log_2n+1\leq m \leq log_3n+1[/math], ahol [math]m[/math] a fa szintszáma.

Bizonyítás:

• [math]log_2n+1\leq m[/math]
  • Minden belső csúcsnak legalább 2 fia van, így az [math]i.[/math] szinten legalább [math]2^{i-1}[/math] csúcs van, tehát: [math]2^{m-1} \geq n \Rightarrow m-1 \geq log_2n \Rightarrow m \geq log_2n+1[/math]
• [math]m\leq log_3n+1[/math]
  • Minden belső csúcsnak maximum 3 fia van, így az [math]i.[/math] szinten maximum [math]3^{i-1}[/math] csúcs van, tehát: [math]3^{m-1} \leq n \Rightarrow m-1 \leq log_3n \Rightarrow m \leq log_3n+1[/math]

3. Feladat

TODO

Megoldás

TODO

4. Feladat

TODO

Megoldás

TODO

5. Feladat (Van megoldás)

Egy algoritmus lépésszámáról tudjuk, hogy [math] T(n) = T\left(\left \lfloor \frac{n}{4} \right \rfloor\right) + O(n^2)[/math] és tudjuk azt is, hogy [math] T(1)=T(2)=T(3)=1[/math]. Bizonyítsa be, hogy [math] T(n)=O(n^2)[/math].

Megoldás

[math] T(n) = T\left(\left \lfloor \frac{n}{4} \right \rfloor\right) + O(n^2) = T\left(\left \lfloor \frac{n}{16} \right \rfloor\right) + O\left(\frac{n^2}{4} \right) + O(n^2)=...=1 + O(n^2)*\left(\sum_{i=0}^{\left \lfloor log_4n \right \rfloor} \left (\frac{1}{4} \right )^i\right)[/math]
Azt kell észrevennünk, hogy ez tulajdonképpen egy mértani sor, amire van képletünk:
[math]\sum_{i=0}^{k} r^i = \frac{1-r^{k+1}} {1-r} [/math] ahol [math] k = \left \lfloor log_4n \right \rfloor, r = 0.25[/math], vagyis [math]\frac{1-0.25^{\left \lfloor log_4n \right \rfloor+1}} {1-0.25}[/math]
[math] \lim_{n \to \infty}\frac{1-0.25^{\left \lfloor log_4n \right \rfloor+1}} {1-0.25} = \frac{1}{0.75}[/math]

Tehát [math] T(n)=...=1+\frac{1}{0.75}O(n^2)=O(n^2)[/math]

6. Feladat (Van megoldás)

Egy ország n kis szigetből áll. Szeretnénk néhány hajójáratot indítani a szigetek között úgy, hogy bárhonnan bárhova el lehessen jutni (esetleg átszállással). Ehhez ismerjük bármely két szigetre, hogy mennyibe kerül egy évben a hajójárat fenntartása közöttük, illetve azt, hogy mekkora az itt várható éves bevétel. Adjon algoritmust, ami ezen adatok ismeretében [math]O(n^2)[/math] időben meghatározza, hogy hol indítsuk el a hajójáratokat, ha a lehető legnagyobb várható éves hasznot (vagy a lehető legkisebb veszteséget) szeretnénk elérni. (Egy szigeten egy hajóállomás van csak).

Megoldás

• Az élek súlya legyen a "Veszteség" = Fenntartás - Bevétel (Így a súly minél kisebb, annál nagyobb a Profitunk). Ezt [math]O(n^2)[/math] időben el tudjuk végezni.
• Az így kapott G gráfra futtassunk egy Prim-algoritmust, ami [math]O(n^2)[/math] időben keres nekünk egy minimális feszítőfát, ez legyen F. Ez azért jó, mert így bármelyik szigetről bármelyik szigetre eltudunk jutni a lehető legnagyobb profittal bíró útvonalakon.
• Mivel a cél a profitmaximalizálás, így minden olyan élt, aminek nem pozitív a súlya (tehát profitot termel, vagy legalábbis nincs rajta veszteségünk), felvesszük a F gráfhoz, ez legyen az M gráf. Ez is [math]O(n^2)[/math] időt vesz igénybe.
• Az M gráfról elmondhatjuk, hogy bármelyik szigetről bármelyik szigetre el tudunk jutni, és a hajóhálózat a legnagyobb profittal rendelkezik.
• Tulajdonképpen [math]3*O(n^2)[/math] időt igényel az algoritmus, ami összességben még mindig [math]O(n^2)[/math], tehát az algoritmus jó.

7. Feladat

TODO

Megoldás

TODO

8. Feladat

TODO

Megoldás

TODO