最近公共祖先 LCA

Posted 2021-03-24 handwer

原创建时间：2018-08-07 14:08:52

两个结点找共同的爸爸

LCA 的概念

在图论和计算机科学中，最近公共祖先（英语：lowest common ancestor）是指在一个树或者有向无环图中同时拥有v和w作为后代的最深的节点。

——Wikipedia

看不懂没关系

简单的来说，就是两个节点v和w的最近的祖先节点

如下图

6和7的LCA是2，3和7的LCA是1

LCA 的求法

暴力求解

让他们一步一步往上爬，直到相遇

节点背着那重重的编号呀 一步一步地往上爬 ——《蜗牛与黄鹂鸟》

显然，这样的算法会T到飞起

所以我们要使用倍增优化

倍增求解

所谓倍增，就是按2的倍数来增大，也就是跳 1、2、4 、8 、16、32 ...

但是在这里，我们要考虑开倒车从大到小跳

因为如果我们从小到大跳，就会出现要「回溯」的情况，因为我们不一定能精准地跳，而从大到小跳可以避开这种情况

图源cnblogs

对于上面这一棵更复杂的树，我们考虑17和18的LCA

17 ->(跳4) 3
18 ->(跳4) 5 ->(跳1) -> 3

是不是快多了，跳的次数大大减小

时间复杂度(O(nlogn))

LCA 的代码 & 实现流程

实现流程

首先我们要记录各个点的深度(depth[ ])和它们(2^i)级的祖先(father[ ][ ])

用(depth[i])表示(i)点的深度，(father[i][j])表示(i)点的(2^i)级的祖先

// 预处理
void dfsInit(int root, int fa) {
    depth[root] = depth[fa] + 1;
    father[root][0] = fa;
    for (int i = 1; (1 << i) <= depth[root]; ++i) {
        father[root][i] = father[father[root][i-1]][i-1];
    }
    for (int e = head[root]; e; e = edge[e].next) {
        if (edge[e].prev != fa) dfsInit(edge[e].prev, root);
    }
}

接着我们就可以找LCA辣

对了，我们可以让它跑得更快

// 提前预处理出log2i + 1的值
for (int i = 1; i <= n; ++i) {
    lg[i] = lg[i-1] + (1 << lg[i-1] == i);
}

在求 LCA 之前，我们先让两个节点蹦到同一层

---

但是跳的时候不能直接跳到 LCA 上，要跳到 LCA - 1 上，再输出 当前的父节点 就行了

因为直接蹦到 LCA 上可能会出现「误判」，比如上图中(4)和(8)，若不判断，则在跳的时候会输出1，但是答案是3

所以我们就可以让它们跳到(2)和(5)，然后输出父节点

int LCA(int x, int y) {
    // 我们设x的深度大于y的深度
    if (depth[x] < depth[y]) swap(x, y);
    while (depth[x] > depth[y]) 
        x = father[x][lg[depth[x] - depth[y]] - 1];
    if (x == y) return x; // x 是 y 的祖先
    for (int i = lg[depth[x]]; i >= 0; --i) {
        if (father[x][i] != father[y][i]) x = father[x][i], y = father[y][i];
        // 不相等就往上跳
    }
    return father[x][0];
}

完整代码

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cctype>
using namespace std;

const int MAXN = 500000 + 10;
const int MAXM = 500000 + 10;

struct Edge {
    int prev, next;
} edge[MAXM * 2];

int head[MAXN], father[MAXN][22], lg[MAXN], depth[MAXN];
int cnt, n, m, s;

inline int getint() {
    int s = 0, x = 1;
    char ch = getchar();
    while (!isdigit(ch)) {
        if (ch == '-') x = -1;
        ch = getchar();
    }
    while (isdigit(ch)) {
        s = s * 10 + ch - '0';
        ch = getchar();
    }
    return s * x;
}

inline void putint(int x, bool returnValue) {
    if (x < 0) {
        x = -x;
        putchar('-');
    }
    if (x >= 10) putint(x / 10, false);
    putchar(x % 10 + '0');
    if (returnValue) putchar('
');
}

inline void addEdge(int prev, int next) {
    edge[++cnt].prev = prev;
    edge[cnt].next = head[next];
    head[next] = cnt; 
} 

// 预处理
void dfsInit(int root, int fa) {
    depth[root] = depth[fa] + 1;
    father[root][0] = fa;
    for (int i = 1; (1 << i) <= depth[root]; ++i) {
        father[root][i] = father[father[root][i-1]][i-1];
    }
    for (int e = head[root]; e; e = edge[e].next) {
        if (edge[e].prev != fa) dfsInit(edge[e].prev, root);
    }
}

int LCA(int x, int y) {
    // 我们设x的深度大于y的深度
    if (depth[x] < depth[y]) swap(x, y);
    while (depth[x] > depth[y]) 
        x = father[x][lg[depth[x] - depth[y]] - 1];
    if (x == y) return x; // x 是 y 的祖先
    for (int i = lg[depth[x]]; i >= 0; --i) {
        if (father[x][i] != father[y][i]) x = father[x][i], y = father[y][i];
        // 不相等就往上跳
    }
    return father[x][0];
}

int main(int argc, char *const argv[]) {
    n = getint(), m = getint(), s = getint();
    for (int i = 1; i < n; ++i) {
        int prev = getint(), next = getint();
        addEdge(prev, next);
        addEdge(next, prev);
    } 
    dfsInit(s, 0);
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        lg[i] = lg[i-1] + (1 << lg[i-1] == i);
    }
    for (int i = 1; i <= m; ++i) {
        int x = getint(), y = getint();
        putint(LCA(x, y), true);
    }
    return 0;
}