Treap

Posted 2020-12-23 inductivesorting-qyf

 Treap=Tree+Heap，即在普通二叉查找树的基础上每个节点有了一个新值域：强化值（因为它将普通二叉查找树强化为treap就自己起了这个名字，是用来满足堆性质的，即后文说满足堆性质都指强化值满足堆性质）。要求这个树节点的键值（即要代表的数）满足BST的性质、强化值满足小跟堆的性质（你非得大根堆也没什么）。强化值由建立节点时由一个随机算法（rand（））给出，在一个以随机数据建成的堆的加持下，treap的期望高度被证明为logn，故是一个平衡树。

代码请看文末

 

核心操作：旋转

　　左旋（zig）：左旋一棵子树，它的根变为新子树的左儿子、根的右儿子变为新子树的根，那么根的右儿子的新左儿子是根了，原来的左儿子怎么办？交给根刚好。这样操作会发现，BST的性质仍然满足（相对左右位置未变），整个树宏观上向左“转动”了一下。

　　右旋（zig）：右旋一棵子树，它的根变为新子树的右儿子、根的左儿子变为新子树的根，根的右儿子的原左儿子也可交给根。这样操作会发现，BST的性质仍然满足（相对左右位置未变），整个树宏观上向右“转动”了一下。

　　故：旋转不改变BST性质，但会改变父祖关系。同时不改变如图x、y、z三部分的堆性质（不特指某种旋转。红点为即将认父的根，绿点为即将认儿的子节点。x为会变为绿点的外侧子树，z代表原根的另一个子树，y代表内侧绿点会给红点的子树）

泛用操作：

　　1、插入x数：

　　　　按照普通二叉查找树插入方式新建节点后使其获得强化值。回溯过程中看儿子：左儿子强化值小于自己——右旋（让他当新爹，小根堆嘛）；右儿子强化值小于自己——左旋。

　　　　解答为何用旋转方式维护堆性质：首先旋转不改变BST性质，但可以改变父子关系。看上图，若绿点强化值小于红点，有堆性质得，绿点要当红点父亲才行。一开始绿点子树一定是满足堆性质的（只有它一个点），因为绿点强化值小于红点，所以绿点完全可以当红点子树的根。由于红点子树在插入值前满足堆性质，而绿点一定是旋转上来的，所以红点可以当除绿点外子树所有点的父亲/祖先，故旋转完成后，红点为首的子树变为绿点为首的子树，同时整个子树都满足堆性质了。

　　2、删除x数：

　　　　思路类似普通二叉查找树，找到节点后，若cnt（为了考虑重复值而设的）>1，则cnt--，否则，若：

　　　　　　其最多只有一个子节点：让子节点代替他（若有的话），若没有，直接删就好。

　　　　　　有两个子节点：旋转，让强化值小的子节点当新爹，把原爹（即要删的）旋下去，直到删它的情况变为第一种。

　　　　　　　　解答这里为何旋转：强化值小的子节点可以当原子树内除原爹外所有点的父亲/祖先，旋转后子树不含原爹为首新子树的部分仍满足堆性质。以原爹为首的新子树除了原爹，强化值最小的（即原爹的原另一个强化值较大的子节点）点也没原爹现在的新爹（即原爹的原强化值较小的子节点）小，故可预知删除原爹后，整个树仍满足堆性质。

　　3、查询x数的排名 　　4、查询排名为x的数 　　5、求x的前驱 　　6、求x的后继   这些操作与二叉查找树的操作无异，见：二叉查找树

　　7、分离：

　　　　要把一个Treap按大小分成两个Treap，即大于等于x的分离成一个treap，剩下的也成一个treap，只要加一个虚拟节点（在需要分开的两点间，或某个叶子结点的儿子，看实际情况。怎么找？前驱或后继），然后将虚拟节点旋至根节点删除，左右两个子树就是得出的两个Treap了。根据二叉排序树的性质，这时左子树的所有节点都小于右子树的节点。时间相当于一次插入操作的复杂度，也就是 log( n )

　　8、合并：

　　　　合并是指把两个Treap合并成一个Treap，本文指其中第一个Treap的所有节点都必须小于或等于第二个Treap中的所有节点，先不涉及两个普通treap的合并。只要加一个虚拟的根，把两棵树分别作为左右子树，然后把根删除就可以了。时间复杂度和删除一样，也是期望O（log n）

 练习题：

　　洛谷P3369 【模板】普通平衡树

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
//#include<cstdlib>
using namespace std;

const int N=100005;

int n,root,bnt;

struct node{
    int ls,rs,cnt,siz,val,dev;
}tre[N];

char ch;

bool f;

inline int read()
{
    int x=0;
    f=0;
    ch=getchar();
    while(!isdigit(ch))
        f|=ch==‘-‘,ch=getchar();
    while(isdigit(ch))
        x=(x<<3)+(x<<1)+(ch^48),ch=getchar();
    return f?-x:x;
}

inline void upt(int u)
{
    tre[u].siz=tre[tre[u].ls].siz+tre[tre[u].rs].siz+tre[u].cnt;
}

inline void zig(int &u)
{
    int v=tre[u].rs;
    tre[u].rs=tre[v].ls;
    tre[v].siz=tre[u].siz;
    tre[v].ls=u;
    upt(u);
    u=v;
}

inline void zag(int &u)
{
    int v=tre[u].ls;
    tre[u].ls=tre[v].rs;
    tre[v].siz=tre[u].siz;
    tre[v].rs=u;
    upt(u);
    u=v;
}

void insert(int &u,const int &val)
{
    if(!u)
    {
        u=++bnt;
        tre[u].val=val;
        tre[u].cnt=tre[u].siz=1;
        tre[u].dev=rand();
        return;
    }
    tre[u].siz++;
    if(tre[u].val==val)
    {
        tre[u].cnt++;
        return;
    }
    if(val<tre[u].val)
    {
        insert(tre[u].ls,val);
        if(tre[tre[u].ls].dev<tre[u].dev)
            zag(u);
    }
    else
    {
        insert(tre[u].rs,val);
        if(tre[tre[u].rs].dev<tre[u].dev)
            zig(u);
    }
}

void del(int &u,const int &val)
{
    if(!u)    
        return;
    if(tre[u].val==val)
    {
        if(tre[u].cnt>1)
        {
            tre[u].cnt--;
            tre[u].siz--;
        }
        else
        {
            if(tre[u].ls&&tre[u].rs)
            {
                if(tre[tre[u].ls].dev<=tre[tre[u].rs].dev)
                {
                    zag(u);
                    tre[u].siz--;
                    del(tre[u].rs,val);
                }
                else
                {
                    zig(u);
                    tre[u].siz--;
                    del(tre[u].ls,val);
                }
            }
            else 
                if(tre[u].ls||tre[u].rs)
                    u=tre[u].ls+tre[u].rs;
                else
                    u=0;
        }
        return;
    }
    tre[u].siz--;
    if(val<tre[u].val)
        del(tre[u].ls,val);
    else
        del(tre[u].rs,val);
}

int finrank(const int &u,const int &val)
{
    if(!u)
        return 1;
    if(tre[u].val==val)
        return tre[tre[u].ls].siz+1;
    if(val<tre[u].val)
        return finrank(tre[u].ls,val);
    else
        return finrank(tre[u].rs,val)+tre[tre[u].ls].siz+tre[u].cnt;
}

int finval(const int &u,const int &rnk)
{
    if(rnk<=tre[tre[u].ls].siz)
        return finval(tre[u].ls,rnk);
    if(rnk>tre[tre[u].ls].siz+tre[u].cnt)
        return finval(tre[u].rs,rnk-tre[tre[u].ls].siz-tre[u].cnt);
    return tre[u].val;
}

int finpre(const int &u,const int &val)
{
    if(!u)
        return -99999999;
    if(tre[u].val<val)
    {
        int k=finpre(tre[u].rs,val);
        return max(k,tre[u].val);
    }
    else
        return finpre(tre[u].ls,val);
}

int finnxt(const int &u,const int &val)
{
    if(!u)
        return 99999999;
    if(tre[u].val>val)
    {
        int k=finnxt(tre[u].ls,val);
        return min(k,tre[u].val);
    }
    else
        return finnxt(tre[u].rs,val);
}

int main()
{
    srand(9999);
    int n=read();
    int opt,x;
    while(n--)
    {
        opt=read(),x=read();
        switch(opt)
        {
            case 1:
                insert(root,x);
                break;
            case 2:
                del(root,x);
                break;
            case 3:
                printf("%d
",finrank(root,x));
                break;
            case 4:
                printf("%d
",finval(root,x));
                break;
            case 5:
                printf("%d
",finpre(root,x));
                break;
            case 6:
                printf("%d
",finnxt(root,x));
                break;
        }
    }
    return 0;
}

既是示例代码也是题解

结语：维持Treap的平衡性，强化值有着决定性的作用，故有时脸黑TLE也不是没有可能的。。。

 

EX： 洛谷日报：不用旋转的treap？——fhq treap

 

参考资料：

Treap百度百科