哈希算法在判定树同构方面的应用(下)

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了哈希算法在判定树同构方面的应用(下)相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

哈希算法在判定树同构方面的应用

在上一篇文章中我们介绍了 枚举根节点哈希 和 求重心哈希 两种方法来判断两棵无根树是否同构。

但是如果有些题目中我必须要计算出每个根节点的 值,且 ,我们要怎么办呢?

考虑以下问题。

(一):洛谷--P4323 [JSOI2016]独特的树叶

在这里插入图片描述

题解:考虑如下解法。

我们求解 树中,以每一点  为根的 值并保存。

我们枚举 树中的叶子节点,计算删去这个叶子节点后,这个叶子节点的父亲的 值,即计算

如果在 树的 中存在一个值与 相等,那就说明对于 树中以某一点 为根的 ,在 树中能找到一点 ,使得以 为根的 。那么 树与 树同构,当前叶子节点符合要求。

当前问题的关键点转化为怎么快速求出,无根树中,以任意一点 为根的

我们将当前无根树转化为根节点为 的有根树。

对根节点 进行求解,得到  ,此时各点 表示整棵树以 为根,且当前为 节点 子树的哈希值。

我们设一个辅助数组 ,表示整棵树以 为根的哈希值,初始时

假设 ,且当前 已求出,考虑怎么求解

我们已经求出 ,我们要得到以 为根的哈希值

(以 为根的树中,子树 的哈希值)

其中 ( 以 为根的树中,子树 的哈希值 ) 等于

为以 为根时, 子树的大小。

其中 为这棵树的大小。

即  ,那么我们再进行一遍 即可以求出  为以 为根的哈希值。

回到本题:(1)求解 A 树的 并保存至 中。(2)求解 B 树的 (3)枚举叶子节点,检查去掉叶子节点后  树与 树是否同构。

空间复杂度 ,时间复杂度  是因为维护了

代码:

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<cstring>
#include<string>
#include<vector>
#include<map>
#include<set>
#include<cmath>
#include<queue>
#define ll long long
#define llu unsigned ll
#define pr make_pair
#define pb push_back
#define lc (cnt<<1)
#define rc (cnt<<1|1)
using namespace std;
const int inf=0x3f3f3f3f;
const ll lnf=0x3f3f3f3f3f3f3f3f;
const double dnf=1e15;
const int mod=1e9+7;
const int maxn=1000100;
int head[maxn],ver[maxn],nt[maxn],d[maxn];
int fa[maxn],si[maxn],tot=1,n;
llu g[maxn],f[maxn];
int p[maxn<<1],cnt=0;
bool ha[maxn<<1];
set<llu> se;

//素数筛,可以先打表看一下,素数筛的上界
void prime(void)
{
    ha[1]=true;
    for(int i=2;i<(maxn<<1);i++)
    {
        if(!ha[i]) p[++cnt]=i;
        for(int j=1;j<=cnt&&i*p[j]<(maxn<<1);j++)
        {
            ha[i*p[j]]=true;
            if(i%p[j]==0break;
        }
    }
}

//初始化存图
void init(void)
{
    memset(head,0,sizeof(head));
    tot=1;
    n++;
}

void add(int x,int y)
{
    ver[++tot]=y,nt[tot]=head[x],head[x]=tot;
}

//处理f[x]
void dfs1(int x,int ff)
{
    f[x]=si[x]=1;
    for(int i=head[x];i;i=nt[i])
    {
        int y=ver[i];
        if(y==ff) continue;
        dfs1(y,x);
        f[x]+=f[y]*p[si[y]];
        si[x]+=si[y];
    }
}

//求解 g[x],g[x]为以x为根的哈希值
void dfs2(int x,int ff)
{
    for(int i=head[x];i;i=nt[i])
    {
        int y=ver[i];
        if(y==ff) continue;
        g[y]=f[y]+(g[x]-f[y]*p[si[y]])*p[n-si[y]];
        dfs2(y,x);
    }
}


int main(void)
{
    prime();
    scanf("%d",&n);
    int x,y;
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        scanf("%d%d",&x,&y);
        add(x,y);
        add(y,x);
    }
    dfs1(1,0);
    g[1]=f[1];
    dfs2(1,0);
    //保存A树的
    for(int i=1;i<=n;i++)
        se.insert(g[i]);

    init();
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        scanf("%d%d",&x,&y);
        d[x]++,d[y]++;
        add(x,y);
        add(y,x);
        fa[x]=y,fa[y]=x;//注意这里叶子节点怎么找它的上一节点
    }
    dfs1(1,0);
    g[1]=f[1];
    dfs2(1,0);
 
 //枚举叶子节点
    for(int i=1;i<=n;i++)
    {
     //g[fa[i]]-p[1],因为叶子节点的大小一定为1,
     //这个值就是去掉叶子节点后,以fa[i] 为根的树的哈希值。
        if(d[i]==1&&se.find(g[fa[i]]-p[1])!=se.end())
        {
            printf("%d\n",i);
            break;
        }
    }

    return 0;
}



(二)综合练习:石油大--17102、Regular Forestation这个 可能会上不去。CF题目:CodeForces - 1252F

题面:哈希算法在判定树同构方面的应用(下)题意:给定一棵无根树,如果去掉点 且去掉与点 相连的边,剩下的部分是由 棵树组成的森林,且这 棵树同构,且 。那么称 是一个好的切分点。

输出去掉某一个好的切分点后最大的

题解:

数据量只有 ,很容易想到解决方案可能是 复杂度的算法。

我们枚举每个点 ,判定这个点是否是好的切分点,同时用 更新答案。

在判断两棵树是否同构的时候,我们需要求出这两棵无根子树以每个点为根的哈希值,然后将这两个哈希值序列进行排序,如果两棵无根子树排序后的哈希值序列完全一样,那么这两棵树同构(因为如果两棵无根树同构,那么在 树中若以某一点 为根,那么在树  中总能找到一点 ,使得以 为根的树同构)。这个时间复杂度是 的,求一棵树每个点为根的哈希值是 的,但是排序是 的。

再套上外层的 ,那么时间复杂度是 的,显然不能通过此题。

考虑如何剪枝。

我们去掉一点 ,如果剩下的 棵树同构,那么首先要要求剩下的 棵树的大小一样。感性理解一下如果去掉一点 能使剩下的 棵树的大小一样,这样的点 是不多的。(其实这样的点 只能是重心且至多有一个,因为要去掉某一点后使得剩下的树的大小一样,如果重心不符合要求,那么其他点一定也不符合要求。因为在第一次写题的时候没考虑到这么多,所以将 函数换成找重心也可以过)

找到重心(或者找到删除该点后使得剩下的树大小一致的点),只需要判断这个点的所有子树是否同构即可。时间复杂度

代码:

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include<algorithm>
#include<cstring>
#include<cmath>
#include<string>
#include<queue>
#include<bitset>
#include<map>
#include<unordered_map>
#include<unordered_set>
#include<set>
#include<ctime>
#define ui unsigned int
#define ll long long
#define llu unsigned ll
#define ld long double
#define pr make_pair
#define pb push_back
#define lc (cnt<<1)
#define rc (cnt<<1|1)
#define len(x)  (t[(x)].r-t[(x)].l+1)
#define tmid ((l+r)>>1)
#define fhead(x) for(int i=head[(x)];i;i=nt[i])
#define max(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))
#define min(x,y) ((x)>(y)?(y):(x))
using namespace std;

const int inf=0x3f3f3f3f;
const ll lnf=0x3f3f3f3f3f3f3f3f;
const double dnf=1e18;
const double alpha=0.75;
const int mod=1e9+7;
const double eps=1e-8;
const double pi=acos(-1.0);
const int hp=13331;
const int maxn=100100;
const int maxm=100100;
const int maxp=100100;
const int up=1100;


int p[maxn],cnt=0;
bool ha[maxn];
void Prime(void)
{
    ha[1]=true;
    for(int i=2;i<maxn;i++)
    {
        if(!ha[i]) p[++cnt]=i;
        for(int j=1;j<=cnt&&i*p[j]<maxn;j++)
        {
            ha[i*p[j]]=true;
            if(i%p[j]==0break;
        }
    }
}

int head[maxn],ver[maxn],nt[maxn],si[maxn],tot=1,n;
int d[maxn],maxx=-1,nowsi;
vector<pair<int,int> >ans;
llu f[maxn],g[maxn];
vector<llu>vc,vvc;

void add(int x,int y)
{
    ver[++tot]=y,nt[tot]=head[x],head[x]=tot;
}
//找某点被去点后剩下的子树大小相等的点
void dfs(int x,int fa)
{
    si[x]=1;
    vector<int>vc;
    vc.clear();
    for(int i=head[x];i;i=nt[i])
    {
        if(ver[i]==fa) continue;
        dfs(ver[i],x);
        si[x]+=si[ver[i]];
        vc.pb(si[ver[i]]);
    }

    if(x!=1)
     vc.pb(n-si[x]);
    if(vc.size()==1return ;
    for(int i=1;i<vc.size();i++)
    {
        if(vc[i]!=vc[i-1])
            return ;
    }
    ans.pb(pr(-vc.size(),x));
}

//计算f
void dfs1(int x,int fa)
{
    f[x]=si[x]=1;
    for(int i=head[x];i;i=nt[i])
    {
        int y=ver[i];
        if(y==fa) continue;
        dfs1(y,x);
        f[x]+=f[y]*p[si[y]];
        si[x]+=si[y];
    }
}

//计算g
void dfs2(int x,int fa)
{
    vvc.pb(g[x]);
    for(int i=head[x];i;i=nt[i])
    {
        int y=ver[i];
        if(y==fa) continue;
        g[y]=f[y]+(g[x]-f[y]*p[si[y]])*p[nowsi-si[y]];
        dfs2(y,x);
    }
}

void get(void)
{
    for(int k=0;k<ans.size();k++)
    {
        if(-ans[k].first<=maxx) continue;
        int cnt=0,x=ans[k].second;
        bool flag=true;
        for(int i=head[x];i;i=nt[i])
        {
            vvc.clear();
            cnt++;
            dfs1(ver[i],x);
            g[ver[i]]=f[ver[i]];
            nowsi=si[ver[i]];
            dfs2(ver[i],x);
            sort(vvc.begin(),vvc.end());
            if(cnt==1) vc=vvc;
            else if(vc!=vvc)
            {
                flag=false;
                break;
            }
        }
        if(flag) maxx=max(maxx,cnt);
    }
}

int main(void)
{
    Prime();
    random_shuffle(p+1,p+cnt+1);
    int x,y;
    scanf("%d",&n);
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        scanf("%d%d",&x,&y);
        add(x,y);
        add(y,x);
        d[x]++,d[y]++;
    }
    dfs(1,0);
    sort(ans.begin(),ans.end());
    get();
    printf("%d\n",maxx);
    return 0;
}

上述时间复杂度为

考虑 的算法。

首先来复习一下树的重心的知识。

树的重心:找到一个点 , 以点 为根时,其所有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。(以重心为根时,最大子树最小)

性质:(1)树中所有点到某个点的距离和中,到重心的距离和是最小的,如果有两个重心,他们的距离和一样。(2)把两棵树通过一条边相连,新的树的重心在原来两棵树重心的连线上。(3)一棵树添加或者删除一个节点,树的重心最多只移动一条边的位置。(4)一棵树最多有两个重心,且相邻。(5)删除重心后所得的所有子树,节点数不超过原树的1/2。

那么我们可以得到,如果两棵无根树同构,那么他们的重心是一致的。那么我们在判定两棵树是否同构时,可以先 求出两棵树的重心(可能有两个),然后再 判定两棵树是否同构即可。

时间复杂度:  但是会带一个小常数,大约

代码:

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include<algorithm>
#include<cstring>
#include<cmath>
#include<string>
#include<queue>
#include<bitset>
#include<map>
#include<unordered_map>
#include<unordered_set>
#include<set>
#include<ctime>
#define ui unsigned int
#define ll long long
#define llu unsigned ll
#define ld long double
#define pr make_pair
#define pb push_back
#define lc (cnt<<1)
#define rc (cnt<<1|1)
#define len(x)  (t[(x)].r-t[(x)].l+1)
#define tmid ((l+r)>>1)
#define fhead(x) for(int i=head[(x)];i;i=nt[i])
#define max(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))
#define min(x,y) ((x)>(y)?(y):(x))
using namespace std;

const int inf=0x3f3f3f3f;
const ll lnf=0x3f3f3f3f3f3f3f3f;
const double dnf=1e18;
const double alpha=0.75;
const int mod=1e9+7;
const double eps=1e-8;
const double pi=acos(-1.0);
const int hp=13331;
const int maxn=100100;
const int maxm=100100;
const int maxp=100100;
const int up=1100;


int p[maxn],cnt=0;
bool ha[maxn];
void Prime(void)
{
    ha[1]=true;
    for(int i=2;i<maxn;i++)
    {
        if(!ha[i]) p[++cnt]=i;
        for(int j=1;j<=cnt&&i*p[j]<maxn;j++)
        {
            ha[i*p[j]]=true;
            if(i%p[j]==0break;
        }
    }
}

int head[maxn],ver[maxn],nt[maxn],si[maxn],tot=1,n;
int d[maxn],ff[maxn],si1[maxn],dp[maxn],maxx=-1,nowsi,nowx;
int rt1,rt2;
vector<pair<int,int> >ans;
llu f[maxn];

void add(int x,int y)
{
    ver[++tot]=y,nt[tot]=head[x],head[x]=tot;
}

//找某点被删掉之后剩下的子树大小相等的点
void dfs(int x,int fa)
{
    si1[x]=1;
    vector<int>vc;
    vc.clear();
    for(int i=head[x];i;i=nt[i])
    {
        if(ver[i]==fa) continue;
        ff[ver[i]]=x;
        dfs(ver[i],x);
        si1[x]+=si1[ver[i]];
        vc.pb(si1[ver[i]]);
    }

    if(x!=1)
     vc.pb(n-si[x]);
    if(vc.size()==1return ;
    for(int i=1;i<vc.size();i++)
    {
        if(vc[i]!=vc[i-1])
            return ;
    }
    ans.pb(pr(-vc.size(),x));
}

//找重心
void dfs1(int x,int fa)
{
    si[x]=1,dp[x]=0;
    for(int i=head[x];i;i=nt[i])
    {
        int y=ver[i];
        if(y==fa) continue;
        dfs1(y,x);
        si[x]+=si[y];
        dp[x]=max(dp[x],si[y]);
    }
    dp[x]=max(dp[x],nowsi-si[x]);
    if(rt1==0||dp[x]<dp[rt1]) rt1=x,rt2=0;
    else if(dp[x]==dp[rt1]) rt2=x;
}

//求f
void dfs2(int x,int fa)
{
    f[x]=si[x]=1;
    for(int i=head[x];i;i=nt[i])
    {
        int y=ver[i];
        if(y==fa||y==nowx) continue;
        dfs2(y,x);
        f[x]+=f[y]*p[si[y]];
        si[x]+=si[y];
    }
}



void get(void)
{
    for(int k=0;k<ans.size();k++)
    {
        if(-ans[k].first<=maxx) continue;
        int cnt=0,x=ans[k].second;
        bool flag=true;
        //虽然以下ans都初始化为0,有冲突的风险,但是这个风险还是比较小的。
        llu ans1=0,ans2=0;
        llu ansnow1=0,ansnow2=0;
        for(int i=head[x];i;i=nt[i])
        {
            ansnow1=0,ansnow2=0;
            ++cnt;
            int y=ver[i];
            if(y==ff[x]) nowsi=n-si1[x];
            else nowsi=si1[y];
            rt1=0,rt2=0;
            dfs1(ver[i],x);

            nowx=x;
            if(rt1!=0) dfs2(rt1,0),ansnow1=f[rt1];
            if(rt2!=0) dfs2(rt2,0),ansnow2=f[rt2];

            if(cnt==1) ans1=ansnow1,ans2=ansnow2;
            else if(!((ans1==ansnow1&&ans2==ansnow2)||(ans1==ansnow2&&ans2==ansnow1)))
            {
                flag=false;
                break;
            }
        }
        if(flag) maxx=max(maxx,cnt);
    }
}

int main(void)
{
    Prime();
    random_shuffle(p+1,p+cnt+1);
    int x,y;
    scanf("%d",&n);
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        scanf("%d%d",&x,&y);
        add(x,y);
        add(y,x);
        d[x]++,d[y]++;
    }
    dfs(1,0);
    sort(ans.begin(),ans.end());
    get();
    printf("%d\n",maxx);
    return 0;
}

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以上是关于哈希算法在判定树同构方面的应用(下)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

PTA 数据结构与算法题目集(中文) 7-3 树的同构 (树哈希)

树哈希 学习笔记

HDU2228栈深搜树哈希/同构

[树哈希] 树的同构

P5043 模板树同构([BJOI2015]树的同构) |树哈希

图同构的矩阵初等变换判定及算法设计