点分治学习笔记

点分治

关于点分治,其实思想是很是好理解的,类比在数列上或是在平面上的分治算法(如归并排序,平面最近点对等),咱们能够从字面上理解该算法:c++

以一个点为界限,将一棵树分红若干个子树,当划分到必定规模,就对每一个子树分别进行求解算法

感性理解就行了数组

感觉一个算法最直观的办法,就是来看一道模板题。函数

【模板】 点分治

给定一棵有$n$个点的树,询问树上长度为$k$的链是否存在。post


首先能够很直观的知道,对于树上的任意一个点,有不少条通过它的链url

那么,对于本题,咱们是否能够在可以接受的时间内对这些通过该点的链进行求解呢?spa

答案是确定的,只须要以该节点为根节点,对整颗树进行一遍$\text{DFS}$,求出各个点到该点的距离,而后就能够用桶排等方法解决该问题。.net

那么对于剩下的没有被处理到的链呢?指针

天然,咱们能够以这个点,将整棵树断掉,将它的子树分开递归分治求解,这样这道题目就解决啦!code

咳咳,真的这么简单吗?

咱们来看一张图

graph.png

多么优雅的一条链!

若是咱们一开始以$1$为根节点,按照这个思路,咱们须要进行$n$次操做,这样确定是不行的。

也就是说,咱们须要找到一个节点,使得在将其断掉以后,剩下的各个子树的大小相对均匀,这样在进行分治求解的时候就可让时间复杂度最优。

因此这里须要引入一个新的概念:

树的重心

定义:树的重心也叫树的质心。找到一个点,其全部的子树中最大的子树节点数最少,那么这个点就是这棵树的重心,删去重心后,生成的多棵子树尽量平衡。(摘自百度百科)


那么如何求树的重心呢?

咱们能够采起一种相似于$DP$的算法,由于咱们要使最大的子树节点数最少,因而咱们能够任选一个点进行$DFS$,在搜索过程当中,记录每个点的最大的子树大小,而后进行操做,即 $$ dp[u]=max(siz[son[u]],sum-siz[u]) $$ $sum$表示这颗子树一共有多少个节点,$siz[i]$即子树大小

这样的话,咱们就只须要在该子树中找到最小的$dp[i]$,这样$i$就是咱们要找的重心了。

是否是很简单?

贴一小段代码

//root默认为0,dp[0]=inf
void get_root(int u,int fa,int sum)
{
    dp[u]=0,siz[u]=1;//初始化
    for(int i=head[u];i;i=e[i].nex)
    {
        int v=e[i].to;
        if(v==fa||vis[u]) continue;//vis[u]表示该节点是否被看成根节点操做过,同时保证该函数只在本子树内操做
        get_root(v,u,sum);
        siz[u]+=siz[v];
        dp[u]=max(dp[u],siz[v]);
    }
    dp[u]=max(dp[u],sum-siz[u]);
    if(dp[u]<dp[root]) root=u;	
}

那么,如何统计答案呢?

对于本题,提供$3$种方法供君选择

说明:$dis[u]$表示$u$节点到重心的距离,$siz[u]$表示以$u$为根的子树大小,$root$表示当前子树重心

$1.$暴力枚举法

咱们将全部的节点到重心的距离$dis[u]$经过一遍$DFS$记录下来,而后开一个桶,两两组合,统计答案。这样的话,会有一个问题,就是在同一条路径上的节点的答案也会被统计,好比$dis[u]+dis[son[u]]=k$,可是这两个节点并无到重心的一条链,因此须要删去。

那么如何作呢?

简单容斥一下就行了 $$ Ans=Ans(以重心为根的子树)-\sum Ans(以重心的孩子为根的子树) $$ 时间复杂度为单次$O(siz[root]^2)$,且有必定局限性——$k$太大时没法使用

$ 2.$配对法

这是一个在本题跑得飞起的计算方法

假设一共有$son_1,son_2,son_3,...,son_n$这些多棵子树

令$vis[j]$数组表示在求解到第$i$棵子树的答案时,前$i-1$棵子树是否存在到重心长度为$j$的路径

这样一来,咱们就只须要在每棵子树当中对于每个询问,枚举找到能够凑成答案的路径便可

时间复杂度为单次$O(m*siz[root])$,因为询问较少,跑的飞起

但注意,在还原数组的时候,须要将

一样,也有必定的局限性——$k$太大时一样没法使用

$3.$two pointers

维护$l,r$两个指针,将全部获得的$dis[i]$从小到大排序,这样的话,就能够保证$dis$数组单调递增,有两个思路供君选择:

$1)$直接标记(仅针对本题)

在$DFS$求解$dis[i]$时,能够记录每个节点对应来自哪一棵子树,记为$tag[i]$而后能够按照这样的思路:

令$l=0,r=siz[root]$

若是当前点已有答案,跳过

若是$dis[l]+dis[r]>k$,就$--r$,这样才有可能有解

若是$dis[l]+dis[r]<k$,就$++l$,同理

若是$dis[l]+dis[r]=k \quad且\quad tag[l]==tag[r]$,就看$dis[r-1]$的大小,并进行相应调整

若是上述条件都不知足,则对于这个$k$有解


$2)$前缀统计

咱们能够化等为不等,记录$\le k$和$\le k-1$的路径条数

一样令$l=0,r=siz[root]$

若$dis[l]+dis[r]<=k$,则说明在$[l+1,r]$的$dis$均可以组成答案,此时$++l$;

不然$--r$;

这种方法一样须要容斥。

两种方法的时间复杂度均为单次$O(m*siz[root])$,且不受$k$的限制,同时这种思想也在很是多的题目上有所运用,如$NOI2019Day1T3$


大致思路就是这样,共$3$步:

$1.$找树的重心

$2.$求解通过重心的链对答案的贡献

$3.$在各个子树内求解

因而这个题目就完结辣OWO~

贴代码(上面讲的很清楚了因而没有注释QWQ)

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int maxn=1e5+10;
int n,m;
struct cc{
    int to,nex,w;
}e[maxn<<2];
int head[maxn],cnt;
int siz[maxn],dp[maxn],vis[maxn],q[maxn],ans[maxn];
void add(int x,int y,int z)
{
    ++cnt;
    e[cnt].to=y;
    e[cnt].nex=head[x];
    e[cnt].w=z;
    head[x]=cnt;
}
int root=0;
void get_root(int u,int fa,int sum)
{
    dp[u]=0,siz[u]=1;
    for(int i=head[u];i;i=e[i].nex)
    {
        int v=e[i].to;
        if(v==fa||vis[v]) continue;
        get_root(v,u,sum);
        siz[u]+=siz[v];
        dp[u]=max(dp[u],siz[v]);
    }
    dp[u]=max(dp[u],sum-siz[u]);
    if(dp[u]<dp[root]) root=u;	
}
int dep[maxn],dis[maxn],tot;
void get_dis(int u,int fa)
{
    dep[++tot]=dis[u];
    for(int i=head[u];i;i=e[i].nex)
    {
        int v=e[i].to;
        if(v==fa||vis[v]) continue;
        dis[v]=dis[u]+e[i].w,get_dis(v,u);
    }
}
void get_ans(int u,int now,int val)
{
    dis[u]=now,tot=0;
    get_dis(u,0);
    stable_sort(dep+1,dep+tot+1);
    for(int i=1;i<=m;++i)
    {
        int s1=0,s2=0,l=1,r=tot;
        while(l<r)
            if(dep[l]+dep[r]<=q[i]) s1+=r-l,++l;
            else --r;
        l=1,r=tot;
        while(l<r)
            if(dep[l]+dep[r]<q[i]) s2+=r-l,++l;
            else --r;
        ans[i]+=(s1-s2)*val;
    }
}
void solve(int u)
{
    get_ans(u,0,1);
    vis[u]=1;
    for(int i=head[u];i;i=e[i].nex)
    {
        int v=e[i].to;
        if(vis[v]) continue;
        get_ans(v,e[i].w,-1);
        root=0;
        get_root(v,u,siz[v]),solve(root);
    }
}
int main()
{
    int a,b,c;
    scanf("%d%d",&n,&m);
    dp[0]=n;
    for(int i=1;i<n;++i)
        scanf("%d%d%d",&a,&b,&c),add(a,b,c),add(b,a,c);
    for(int i=1;i<=m;++i) scanf("%d",&q[i]);
    get_root(1,0,n);solve(root);
    for(int i=1;i<=m;++i)
        printf("%s\n",ans[i]?"AYE":"NAY");
    return 0;
}

Thanks for reading.

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