动态点分治学习笔记

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了动态点分治学习笔记相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

学习动态点分治之前要先弄清楚点分治的原理,二者的应用范围的不同就在于动态的支持在线修改操作,而实现的不同就在于动态点分治要建点分树。

OI中有很多树上统计问题,这类问题往往都有一个比较容易实现的暴力做法,而用高级数据结构维护信息有显得过于复杂,有没有一种“优美的暴力”,能既保证思维的简单性,又有更高效的时间复杂度保证呢?这就是点分治的思想。

点分治的实现过程是:每次找到当前树的重心,然后以这个重心为根统计这个树的信息,然后对重心的每个孩子分别递归,同样用将重心作为根的方法统计子树的信息(这里可能要除去不合法的重复影响)。为什么复杂度有保证呢?我们先来看重心的性质。

以一棵树的重心作为根,则根的最大子树的size不超过整个树size的一半。考虑证明,因为重心的定义是使以它作为根的树的最大子树size最小,那么如果重心某一个子树size超过整个树的一半,则一定能找到另一个节点使这个节点作为根树的最大子树size比重心更小,矛盾。

那么我们可以得到,每个重心都有自己的管辖范围(事实上因为是分治,所以所有点都是某一块(或仅仅是它自己)的重心),而管辖一个点的重心最多有$O(\log n)$个。所以如果每个点被管辖自己的重心处理一次,那么总次数是$O(n \log n)$个的。

基于这个思想,我们得到了点分治的实现方法。

关于如何找重心,直接DP即可,注意传入S为这棵树的size,以及f[rt=0]=inf。

下面是一道裸题:POJ1741

 

 1 #include<cstdio>
 2 #include<cstring>
 3 #include<algorithm>
 4 #define rep(i,l,r) for (int i=l; i<=r; i++)
 5 #define For(i,x) for (int i=h[x],k; i; i=nxt[i])
 6 typedef long long ll;
 7 using namespace std;
 8 
 9 const int N=20100,inf=1000000000;
10 int ans,n,cnt,tot,S,k,u,v,w,rt;
11 int sz[N],vis[N],d[N],val[N],h[N],nxt[N],to[N],a[N],f[N];
12 
13 void add(int u,int v,int w)
14 { to[++cnt]=v; val[cnt]=w; nxt[cnt]=h[u]; h[u]=cnt; }
15 
16 void find(int x,int fa){
17     sz[x]=1; f[x]=0;
18     For(i,x) if ((k=to[i])!=fa && !vis[k]){
19         find(k,x); sz[x]+=sz[k]; f[x]=max(f[x],sz[k]);
20     }
21     f[x]=max(f[x],S-sz[x]);
22     if (f[x]<f[rt]) rt=x;
23 }
24 
25 void deep(int x,int fa){
26     a[++tot]=d[x];
27     For(i,x) if ((k=to[i])!=fa && !vis[k]) d[k]=d[x]+val[i],deep(k,x);
28 }
29 
30 int cal(int x,int v){
31     d[x]=v; tot=0; deep(x,0);
32     sort(a+1,a+tot+1);
33     int l=1,r=tot,sum=0;
34     while (l<r)
35         if (a[l]+a[r]>k) r--; else sum+=r-l,l++;
36     return sum;
37 }
38 
39 void solve(int x){
40     ans+=cal(x,0); vis[x]=1;
41     For(i,x) if (!vis[k=to[i]])
42         ans-=cal(k,val[i]),S=sz[k],f[rt=0]=inf,find(k,x),solve(rt);
43 }
44 
45 int main(){
46     while (scanf("%d%d",&n,&k),n+k){
47         ans=cnt=0; memset(vis,0,sizeof(vis)); memset(h,0,sizeof(h));
48         rep(i,1,n-1) scanf("%d%d%d",&u,&v,&w),add(u,v,w),add(v,u,w);
49         S=n; f[rt=0]=inf; solve(1); printf("%d\n",ans);
50     }
51     return 0;
52 }

 

接着我们来看动态点分治。首先介绍点分树的概念,对于一个重心,将它与所有子树的重心连边(也就是按照分治的根的顺序连边),就得到了点分树。我们可以发现,每个重心记录的是自己管辖范围的所有点的信息,实际上也就是点分树上以这个重心为根的子树的信息。而如果修改某个点的值,它影响到的也就是点分树上这个点到根的路径上的所有点的信息。

根据上面对于点分治复杂度的分析可知,点分树的层数是$O(\log n)$层的。这就保证了修改的复杂度。

“树上的动态点分治相当于序列上的线段树"

我们再看一道模板题:BZOJ1095

这题如果不带修改就是简单的点分治或者直接DP的题目,现在带了修改,显然就是需要建立点分树。

建立点分树有一个需要注意的地方,一定要分清点在点分树上的父亲和在原树上的父亲。有的时候我们需要把点分树给建出来,有时则不需要。

还有动态点分治经常要用到两点间LCA,这个不要用树剖或者倍增LCA,因为单次询问是$O(\log n)$的。求出dfs序的深度序列,然后用RMQ求区间最小值就可以使单次询问复杂度降到$O(1)$。

还有,一般动态点分治都会与数据结构(STL)结合,一般每个节点用两个数据结构需要记录两个信息:以它为根的子树对它的父亲的影响,和所有以它的儿子为根的子树对它的影响,显然后者可以直接使用前者的信息(这里的父亲儿子都是指在点分树上)。

具体到这一题上,我们将找重心需要的所有参数全部传到find函数内部去而不是作为全局变量以免递归时出现冲突。

另外,下面这份代码在BZOJ上TLE了,因为multiset的常数过大。较为高效的实现是使用priority_queue,通过建立一个“垃圾堆”实现删除功能(具体实现见hzwer博客)

 

 1 #include<set>
 2 #include<cstdio>
 3 #include<algorithm>
 4 #pragma GCC optimize(3)
 5 #define rep(i,l,r) for (register int i=l; i<=r; i++)
 6 #define For(i,x) for (register int i=h[x],k; i; i=nxt[i])
 7 using namespace std;
 8 
 9 const int N=200100,inf=1000000000;
10 char s[10];
11 int n,m,u,v,x,cnt,tot,pos[N],mv[N],lg[N<<1],a[N<<2],b[N],to[N<<1],nxt[N<<1],fa[N],h[N],sz[N],f[N],d[N],st[N][20],vis[N];
12 multiset<int>A[N],B[N],C;
13 multiset<int>::iterator it;
14 
15 void add(int u,int v){ to[++cnt]=v; nxt[cnt]=h[u]; h[u]=cnt; }
16 void ins(multiset<int>a){ if (a.size()>=2) it=--a.end(),C.insert(*it+*(--it)); }
17 void del(multiset<int>a){ if (a.size()>=2) it=--a.end(),C.erase(C.find(*it+*(--it))); }
18 
19 void find(int x,int fa,int S,int &rt){
20     sz[x]=1; f[x]=0;
21     For(i,x) if ((k=to[i])!=fa && !vis[k])
22         find(k,x,S,rt),sz[x]+=sz[k],f[x]=max(f[x],sz[k]);
23     f[x]=max(f[x],S-sz[x]);
24     if (f[x]<=f[rt]) rt=x;
25 }
26 
27 void dfs(int x,int fa){
28     pos[x]=++tot; a[tot]=d[x];
29     For(i,x) if (fa!=(k=to[i])) d[k]=d[x]+1,dfs(k,x),a[++tot]=d[x];
30 }
31 
32 void getst(){
33     rep(i,1,tot) st[i][0]=a[i];
34     for (int j=1; j<=18; j++)
35         rep(i,1,tot) st[i][j]=min(st[i][j-1],st[i+(1<<(j-1))][j-1]);
36 }
37 
38 int que(int l,int r){
39     int t=lg[r-l+1];
40     return min(st[l][t],st[r-(1<<t)+1][t]);
41 }
42 
43 int dis(int x,int y){ int a=pos[x],b=pos[y]; if (a>b) swap(a,b); return d[x]+d[y]-2*que(a,b); }
44 
45 void get(int x,int fa,int dep,multiset<int>&s){
46     s.insert(dep);
47     For(i,x) if (!vis[k=to[i]] && k!=fa) get(k,x,dep+1,s);
48 }
49 
50 int work(int x){
51     int rt=0; f[0]=inf; find(x,0,sz[x],rt); vis[rt]=1;
52     B[rt].insert(0);
53     For(i,rt) if (!vis[k=to[i]]){
54         multiset<int> s; get(k,0,1,s);
55         int p=work(k); fa[p]=rt; A[p]=s;
56         B[rt].insert(*(--A[p].end()));
57     }
58     ins(B[rt]); return rt;
59 }
60 
61 void mdf(int x,bool f){
62     del(B[x]); if (f) B[x].erase(B[x].find(0)); else B[x].insert(0); ins(B[x]);
63     for (int i=x; fa[i]; i=fa[i]){
64         int y=fa[i]; del(B[y]);
65         if (A[i].size()) B[y].erase(B[y].find(*(--A[i].end())));
66         if (f) A[i].erase(A[i].find(dis(y,x))); else A[i].insert(dis(y,x));
67         if (A[i].size()) B[y].insert(*(--A[i].end()));
68         ins(B[y]);
69     }
70 }
71 
72 int main(){
73     freopen("bzoj1095.in","r",stdin);
74     freopen("bzoj1095.out","w",stdout);
75     scanf("%d",&n);
76     rep(i,1,n-1) scanf("%d%d",&u,&v),add(u,v),add(v,u);
77     lg[1]=0; rep(i,2,N+100) lg[i]=lg[i>>1]+1;
78     dfs(1,0); getst(); tot=n; work(1); scanf("%d",&m);
79     rep(i,1,m){
80         scanf("%s",s);
81         if (s[0]==G) if (tot<=1) printf("%d\n",tot-1); else printf("%d\n",*(--C.end()));
82             else scanf("%d",&x),tot+=(b[x])?1:-1,b[x]^=1,mdf(x,b[x]);
83     }
84     return 0;
85 }

 

以上是关于动态点分治学习笔记的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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