• 动态点分治学习笔记


    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
    ",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
    ",tot-1); else printf("%d
    ",*(--C.end()));
    82             else scanf("%d",&x),tot+=(b[x])?1:-1,b[x]^=1,mdf(x,b[x]);
    83     }
    84     return 0;
    85 }
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