高级数据结构与在线算法

共 67 题
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1. 字符串排序在 word RAM 下达到 O(n · √log log n) 而非 Ω(n log n) 的原因。

A 比较下界适用于 word RAM 字符串排序
B 任何模型下字符串排序都必须 Ω(n log n)
C word RAM 下字符串可用位运算/基数排序突破比较模型 Ω(n log n) ✓ 正确答案
D 字符串排序无法并行处理字符
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2. 用会计法(banking method)证明动态数组 push_back 的 O(1) 平摊复杂度。

A 每次 push 预存 credit 覆盖扩容成本,平摊 O(1) ✓ 正确答案
B 扩容成本无法被平摊
C push_back 最坏是 O(n²)
D 会计法不保证 credit 非负
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3. 并查集的优化中按秩合并与路径压缩的联合时间复杂度为何近似 O(α(n))?

A 路径压缩单独就使树高 O(log n)
B 按秩合并+路径压缩使 m 次操作 O(m·α(n)),α 为 Ackermann 反函数 ✓ 正确答案
C 并查集最坏 O(n²)
D α(n) 随 n 快速增长
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4. Karp 17 个平摊数据结构的方法差异在栈、队列、双端队列、计数器、双向计数器、动态树上的具体体现。

A 平摊分析只能用于栈
B 动态树需要 O(n) 平摊
C 计数器、栈、动态树都可用势能/会计法证明平摊 O(1) 或 O(log n) ✓ 正确答案
D 双端队列无法平摊
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5. Paging 的 marking algorithm(FWF)与 LRU 的等价性证明?

A FWF 淘汰最近访问的页
B FWF 与 LRU 对同一访问序列缺失相同,竞争比相同 ✓ 正确答案
C 两者竞争比不同
D FWF 不标记页面
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6. Paging 问题的 LRU 与 FIFO 的竞争比分析与 Belady's MIN(OPT)?

A LRU 竞争比为 1
B OPT 淘汰未来最远页,LRU/FIFO 都是 k-competitive ✓ 正确答案
C FIFO 比 OPT 更优
D OPT 是在线算法
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7. Paging 问题的 LRU、FIFO、LFU 的竞争比分析中 FIFO 4-competitive、LRU k-competitive?

A LFU 达到最优竞争比
B LRU 与 FIFO 都是 k-competitive,LFU 竞争比无界 ✓ 正确答案
C FIFO 竞争比最优为 1
D LRU 竞争比小于 k
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8. Secretary Problem 的 1/e 停止规则与最优策略的工程语义?

A 跳过前 n/e 个观察,之后选第一个超过记录最大者,成功概率 1/e ✓ 正确答案
B 应选第一个到达者
C 最优概率是 1/2
D 策略与 n 无关
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9. Secretary Problem 的动态规划与 indicator variable 的最优性证明?

A 成功概率为 100%
B DP 显示最优策略是均匀随机
C DP 证明最优为阈值策略,indicator 变量求选中概率得 1/e ✓ 正确答案
D indicator 变量无法用于证明
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10. Word RAM 模型(字长 w=Θ(log n))下排序下界 Ω(n log n) 是否仍成立,决策树与可计算函数族的边界。

A 比较下界不适用于 word RAM,但信息论码长下界在小字长下仍存在 ✓ 正确答案
B 任何模型排序都 Ω(n log n)
C word RAM 字长越大排序越慢
D 决策树下界适用于 word RAM
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11. Bit RAM 下 rank/select 操作 O(1) 答案为何依赖表大小 N=2^w 时的预计算?

A 需要块划分 + 基于 2^w 的预计算查表 ✓ 正确答案
B 无需预计算即可 O(1)
C 表大小与块大小无关
D rank/select 只能 O(log n)
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12. Karmarkar 线性规划内点法的平滑复杂度在 ILP benchmark 上的实测分布。

A 内点法只能解整数规划
B 内点法最坏情况下指数
C 理论多项式但常数大,实测在 ILP 松弛上迭代次数少、分布集中 ✓ 正确答案
D 平滑复杂度与实测无关
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13. Range Tree(线段树的二维扩展)的构造与 O(log² n) 查询?

A x 维线段树每节点内嵌 y 维树,查询 O(log² n) ✓ 正确答案
B 空间 O(n) 且查询 O(log n)
C 只能做一维查询
D 构造 O(n²)
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14. Secretary Problem 在广告投放、招聘、股票择时、Job scheduling 的工程应用?

A 广告、招聘、择时等不可回退决策都用“先学习后阈值选择”思路 ✓ 正确答案
B 只适用于招聘
C 工程中必须知道 n 且固定
D 阈值策略与探索无关
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15. Z-function 的字符串周期判定、最小表示法的 Duval 算法的工程取舍?

A Z 可用 Z[k]≥n−k 判周期,Duval 线性求最小旋转,都确定性无碰撞 ✓ 正确答案
B Z 无法判周期
C Duval 需要哈希
D 两者都 O(n²)
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16. fusion tree 在 64-bit 字长下达到 O(log n / log w) 搜索的具体实现细节。

A 每节点只有 2 分支
B 用 sketch 位压缩使每节点 w 分支,树深 O(log n/log w) ✓ 正确答案
C 搜索复杂度 O(log n)
D 无法用位并行
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17. van Emde Boas 树在 Word RAM 下达到 O(log log u) 的下界来源中探针 vs 哈希 vs 字典树。

A vEB 与字典树深度相同
B vEB 复杂度是 O(log u)
C 递归分簇使 u 逐层开方,复杂度 O(log log u),达探针下界 ✓ 正确答案
D vEB 用哈希获得最坏 O(1)
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18. 线段树的懒标记(Lazy Propagation)中区间更新/查询的复杂度与实现要点?

A 懒标记使更新变 O(n)
B 懒标记把区间更新延迟到节点层,更新/查询均 O(log n) ✓ 正确答案
C 更新时无需判断完全覆盖
D 懒标记无法做区间查询
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19. 树状数组与线段树的对比中哪些操作(区间最值/区间修改)只能用线段树?

A 线段树不支持区间求和
B 树状数组支持区间最值
C 两者功能完全等价
D 区间最值与区间修改(懒标记)通常只能用线段树 ✓ 正确答案
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20. Manacher 算法在线性时间内求奇偶回文半径与 palindromic tree 的工程取舍?

A Manacher 求半径轻量,PAM 支持回文子串统计但实现复杂 ✓ 正确答案
B Manacher 无法求回文半径
C PAM 比 Manacher 更简单
D 两者都只能求最长回文
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21. Suffix Automaton(SAM)的 right context、link、len 三数组与状态上界 2n-1 的工程语义?

A 状态含 len、link、转移,状态上界 2n−1,内存 O(n) ✓ 正确答案
B 状态数随 n 指数增长
C len 记录出现次数
D link 指向最长前缀状态
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22. 回文树 Eertree 的两个根(奇偶)的 addChar 与状态上界 O(n) 的工程价值?

A 无法在线构建
B 回文树状态数可到 n²
C 只有一个根
D 奇偶双根统一构建,状态数 ≤n,可在线统计回文 ✓ 正确答案
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23. 组合类 labelled 与 unlabelled 的 EGF 差异在集合、循环、序列操作上的体现。

A 集合操作都是 exp
B 两者都用 EGF
C labelled 用 EGF(集合=exp),unlabelled 用 OGF(集合=MSET) ✓ 正确答案
D labelled 与 unlabelled 计数相同
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24. 设计 black-box benchmark,验证外部排序库在不知道输入分布时的最坏退化。

A 只需测随机输入
B 用随机/逆序/重复/偏序等多分布+规模缩放发现最坏退化 ✓ 正确答案
C 退化与输入分布无关
D 无法 black-box 检测退化
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25. AC0 电路只能识别 PARITY 之外的常数深度语言中 Furst-Saxe-Sipser 证明思路。

A Furst-Saxe-Sipser 证明 PARITY∈AC0
B PARITY 可用常数深度电路计算
C AC0 能算任意模函数
D 随机限制把 AC0 电路化简为常数函数,而 PARITY 保持结构,故 PARITY∉AC0 ✓ 正确答案
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26. Belady's MIN(OPT)算法中 evict the page farthest in future 的 oracle 上界?

A OPT 缺失数最多
B OPT 是贪心在线算法
C OPT 淘汰未来最远页,是离线最优,作为在线算法下界 ✓ 正确答案
D OPT 无 oracle 上界
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27. Conservative Paging 与 Aequo-Optimal 算法在确定性 vs 随机化?

A 确定性竞争比 ln k
B 确定性 conservative 竞争比 k,随机化下界约 H_k(ln k),随机化更优 ✓ 正确答案
C 随机化竞争比等于 k
D 随机化无法改善竞争比
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28. Generalized Secretary Problem 中 rank-r selection 与 matroid secretary 的扩展?

A 只选单个最优
B 扩展为选满足 matroid 约束的最优集合,用采样+阈值算法 ✓ 正确答案
C 无约束也能选
D 竞争比恒为 1
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29. Important Sampling 在偏分布估计中的方差缩减工程?

A 权重 w 与分布无关
B 重要性采样总是增加方差
C 用匹配 f 的分布采样并加权,可显著降低方差 ✓ 正确答案
D 无法处理罕见事件
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30. KD-Tree 的范围查询与最近邻中每个维度轮换切分的中位点选择?

A 最近邻查询无需剪枝
B 中位点选择使树不可平衡
C 按轮换维度取中位点切分,范围/最近邻用空间剪枝,平均高效 ✓ 正确答案
D KD-Tree 最适合高维
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31. Link-Cut Tree 的 access、splay、expose 操作在动态树问题?

A access 与路径查询无关
B LCT 只能静态树
C access 打通路径成 splay,link/cut/路径查询均 O(log n) 平摊 ✓ 正确答案
D splay 使复杂度 O(n)
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32. Lyndon 分解与最小表示法(Duval 算法)在循环串匹配的工程价值?

A Duval 算法 O(n²)
B 最小表示无法用于循环匹配
C 循环同构串的最小表示相同,可规范化后做相等判定 ✓ 正确答案
D 循环匹配必须哈希
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33. Online Bipartite Matching 的 Ranking 算法 1-1/e 竞争比的工程价值?

A 随机化无法改进在线匹配
B 竞争比 1(最优)
C 贪心即可达到 1-1/e
D 给右部随机 rank,到达左部匹配最高 rank 邻居,竞争比 1-1/e ✓ 正确答案
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34. PARITY 不属于 AC0 的 Håstad 切换引理如何被用于电路下界证明。

A 切换引理与电路下界无关
B 切换引理证明 PARITY∈AC0
C 随机限制不改变电路
D 随机限制使常数深度电路可压缩,而 PARITY 保持结构,故 PARITY∉AC0 ✓ 正确答案
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35. Pertesi 风格局部搜索的平滑分析框架如何在 k-median、k-means 上获得多项式平滑界。

A 局部搜索总能找到全局最优
B 高斯扰动后局部最优接近全局最优且收敛多项式,解释实测有效 ✓ 正确答案
C 平滑分析否定局部搜索价值
D 扰动使局部搜索失效
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36. Pólya 枚举定理如何把等价类计数降到 cycle index polynomial 的具体例子。

A cycle index 与群无关
B 用 cycle index 代入颜色数求不等价着色数,如正方形 2 色=6 ✓ 正确答案
C 需逐类枚举所有着色
D 无法处理对称群
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37. Ski rental randomized 算法中随机化阈值 e/(e-1) 期望 competitive ratio 的工程价值?

A 竞争比与随机化无关
B 随机化阈值竞争比为 2
C 确定性阈值优于随机化
D 随机化阈值使期望竞争比 e/(e-1)≈1.58,优于确定性 2 ✓ 正确答案
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38. Ski rental 与 secretary problem 共同点中先验未知的最优决策时机?

A 都在未知未来下做“何时行动”的阈值决策 ✓ 正确答案
B 两者都是离线问题
C 都只用确定性策略
D 决策时机与竞争比无关
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39. Ski rental 在云 spot instance 购买 vs 按需租用的工程应用?

A 云资源无租买权衡
B 按需=租、预留=买,未知时长用阈值/竞争比决策 ✓ 正确答案
C 阈值策略与时长无关
D 预留实例总是最优
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40. Ski rental 的 lower bound 中任何 randomized 算法 competitive ratio ≥ 1+1/e 的工程证明?

A 确定性算法竞争比更低
B 随机化算法可达到竞争比 1
C 下界证明不存在算法
D 任何随机化算法竞争比 ≥ e/(e-1)≈1.58,随机化阈值已经最优 ✓ 正确答案
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41. Ski rental 问题的 2-竞争比算法中购买 vs 继续租的决策边界?

A 决策边界与 B 无关
B 一开始就买竞争比 2
C 全程租竞争比 2
D 租 B 次后买,成本 ≤2OPT,竞争比 2 ✓ 正确答案
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42. Ski rental 问题的 deterministic 2-competitive 算法中买前租天数 = 1/价格?

A 租 B 天(B=价格)后买,竞争比 2 ✓ 正确答案
B 租 1 天就买竞争比 2
C 租天数与价格无关
D 买前租天数 = 价格/2
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43. Spielman-Teng 平滑分析框架的严格数学定义及其在 Simplex 与 k-means 上的多项式平滑复杂度推导。

A 平滑复杂度等于最坏复杂度
B 对最坏输入加扰动衡量期望复杂度,解释 Simplex/k-means 实测高效 ✓ 正确答案
C 平滑分析否定多项式算法
D 扰动不改变复杂度
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44. TC0 与 AC0 的边界中 MAJORITY 与 PARITY 都属于 TC0(且都不属于 AC0)

A TC0 与 AC0 相同
B MAJORITY∉TC0
C TC0 加阈值门,可算 MAJORITY/PARITY 等 AC0 不能算的函数 ✓ 正确答案
D PARITY∈AC0
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45. Treap 与 Randomized BST 的期望 O(log n) 与 split/merge 工程应用?

A Treap 树高最坏 O(n) 但期望 O(log n)
B 随机优先级保证期望 O(log n) 树高,split/merge 支持区间操作 ✓ 正确答案
C split/merge 是 O(n)
D Treap 无法可持久化
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46. grey-box 模型下,Differential Power Analysis 攻击 RSA 的 cache timing 侧信道工程实现路径。

A 通过功耗/时间差异关联密钥位,用多次观测差分统计提取密钥 ✓ 正确答案
B 侧信道无法提取密钥
C cache timing 与密钥无关
D 只读物理字节即可
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47. grey-box 自动调参(autotuning)为何对 JIT 编译器有显著加速并给出实测数据。

A 用实测反馈选最优编译参数,grey-box 缩搜索空间,可带来数倍加速 ✓ 正确答案
B 固定参数总是最优
C autotuning 增加编译时间无收益
D grey-box 不需结构信息
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48. white-box 模型下,AES 的 white-box 加密为何无法在理论上抵抗 key extraction。

A 攻击者可观察全部表与执行,key extraction 理论上不可避免 ✓ 正确答案
B white-box 保证密钥安全
C 表编码可完全抵抗逆向
D key extraction 只在没看表时发生
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49. 为什么平滑复杂度不能直接推出 P=NP 反而成为分析工具?

A 它是最坏复杂度特例
B 平滑复杂度可以推出 P=NP
C 只保证扰动后期望高效,不覆盖最坏,故不能推出 P=NP ✓ 正确答案
D 与平均复杂度无关
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50. 写出 OGF 与 EGF 的形式幂级数定义并证明 Catalan 数的 OGF 满足 C = 1 + z C²。

A 空树+根左右子树分解给出 C=1+zC²,解得 C_n=(1/(n+1))C(2n,n) ✓ 正确答案
B Catalan 无生成函数
C C=1-zC²
D EGF 与 OGF 相同
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51. 利用 analytic combinatorics 推导 hash collision 的 O(1/√n) 渐近式。

A 碰撞概率 ~ n²/(2m),可用泊松/生成函数奇异分析得 O(1/√n) 类渐近 ✓ 正确答案
B 碰撞概率与 m 无关
C 生日悖论不适用
D 碰撞概率恒为 1
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52. 区分 worst-case、average-case、smoothed complexity 在 branch-and-bound 求解器上的实测差异。

A B&B 恒为多项式
B 最坏指数、平均随机友好、平滑(扰动后)接近平均,实测远好于最坏 ✓ 正确答案
C 三种复杂度相同
D 平滑复杂度等于最坏
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53. 在 black-box 假设下,3-SAT 的 sub-exponential 算法不可能超越指数级的下界构造。

A 3SAT 有 sub-exponential 算法
B black-box 构造 oracle 实例,证查询下界 2^Ω(n),排除 sub-exponential ✓ 正确答案
C black-box 下界证明 P=NP
D oracle 不支持 ETH
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54. 平摊复杂度在 jemalloc、dlmalloc 的工程意义。

A 分配器合并/缓存用平摊分析保证平均 O(1) 分配 ✓ 正确答案
B 单次分配总是 O(1)
C 平摊分析不适用分配器
D jemalloc 无平摊保证
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55. 平滑分析在工业编译器 instruction scheduling 中的实际应用案例。

A 真实代码依赖图带结构,平滑分析解释启发式调度实测有效 ✓ 正确答案
B 指令调度总是多项式
C 启发式调度无理论依据
D 平滑分析与编译器无关
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56. 持久化线段树(Persistent Segment Tree)的 path-copy 与版本控制的工程价值?

A 无法查询历史版本
B 持久化会复制整棵树
C path-copy 只复制更新路径,保留全部版本,支持区间第 k 大等 ✓ 正确答案
D path-copy 是 O(n) 更新
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57. 构造卡型输入的 1/n 扰动族,证明其平滑复杂度从指数级降为多项式级的具体路径。

A 扰动不减复杂度
B 对卡型输入加 1/n 高斯扰动,破坏退化结构,使期望复杂度降为多项式 ✓ 正确答案
C 卡型输入不受扰动影响
D 1/n 扰动使复杂度更高
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58. 用 Lagrange 反演求树的计数中度为 i 的节点数。

A 度 i 节点数需枚举
B Lagrange 反演无法用于树
C 用 C=zφ(C) 反演解系数,marking 得度 i 节点数闭式 ✓ 正确答案
D 反演只适用于 OGF
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59. 用势能法(potential method)证明 splay 树 zig-zig 操作的 O(log n) 平摊界。

A splay 平摊 O(n)
B 势能取树高
C 势能取秩和,旋转的秩变化被吸收,splay 平摊 O(log n) ✓ 正确答案
D 势能法无法证明 splay
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60. 用物理法(physicist method)证明二进制计数器 increment 的 O(1) 平摊界。

A 势能取 0 的个数
B 计数器 increment 最坏 O(n) 且不平摊
C 势能取 1 的个数,增量翻转 t 位被 ΔΦ 抵消,平摊 O(1) ✓ 正确答案
D 平摊代价是 O(n²)
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61. 用生成函数推导 Fibonacci 数的封闭公式 Binet 形式。

A Binet 公式不正确
B Fibonacci 无闭式
C 生成函数法需枚举
D F(z)=z/(1-z-z²),部分分式展开得 Binet 公式 f_n=(φ^n-ψ^n)/√5 ✓ 正确答案
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62. 给出 NL = coNL 的证明轮廓(Immerman-Szelepcsényi)。

A Immerman-Szelepcsényi 用非确定性计数可达节点,证明 STCON 的补在 NL ✓ 正确答案
B NL 对补不封闭
C coNL 严格大于 NL
D 该定理与 STCON 无关
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63. 设计一组覆盖 Gauss 扰动和 adversary 扰动两类输入的平滑复杂度单元测试。

A 只需测随机输入
B 只测无扰动输入
C 扰动不改变性能
D 覆盖 Gauss 扰动与 adversary 扰动,验证扰动后时间多项式、不退化 ✓ 正确答案
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64. 设计实验对比 succinct data structure 在 bit RAM 与 word RAM 上的 cache miss 与指令数。

A 两种模型无差异
B 控制算法相同、对比 bit/word RAM 的 cache miss 与指令数,word RAM 查表更省 ✓ 正确答案
C 只测运行时间即可
D bit RAM 指令更少
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65. 证明 L ⊆ NL ⊆ P 的关系与 Reingold 的 undirected STCON in L 的核心思想。

A 无向 STCON 不在 L
B L⊆NL⊆P,Reingold 用图幂+膨胀+降维证明无向 STCON 在对数空间 ✓ 正确答案
C NL⊆L 成立
D Reingold 证明有向 STCON 在 L
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66. 证明 STCON(s-t 连通性)是 NL 完全的,归约路径与验证者交互。

A STCON 不在 NL
B 用配置图把 NL 机器编码为 s-t 路径,STCON 非确定 log 空间可判且 NL 完全 ✓ 正确答案
C 配置图是指数规模
D STCON 是 P 完全
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67. 在线算法的竞争比中在线缓存(LRU/Belady)与在线调度问题的竞争比分析?

A 所有在线算法竞争比 1
B 缓存 LRU k-competitive、list scheduling 2-competitive,竞争比量化未知信息代价 ✓ 正确答案
C 竞争比与最优离线无关
D 在线调度竞争比无界