学习笔记

虚树 - 学习笔记

初学的时候整个人是懵的
不过总算是弄懂了

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『算法概述』

对于一类树上的问题，如果仅有一部分点对答案“有用”（也就是说另一部分“可以不要”），那么我们考虑只存储那些有用的点。这就是虚树的思想。所以为什么它叫虚树？我也不知道……
通常情况下我们把一些点的 LCA 也算作“有用”的点。
虚树可做的题目一般来说（以我对虚树短浅的认知）会限制有用的点的总个数，并且会用多组询问的方式来使一般的方法TLE……

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『具体实现』

仿照着其他博客的思路，我觉得用一道例题来讲会更加容易理解——

〔BZOJ 2286 消耗战〕
「题意」
给定一棵n个点的树，每个边有权值表示将它割断的花费，已知其中的k个点是有价值的，现在需要把这些点与点1断开（不连通），求最小花费。
输入时先给定一棵树。
m组数据，每次询问给出k个点，表示它们是有价值的，对于每组数据输出最小花费。
[反正(O(nm))会超时就对了，保证所有数据的k之和不超过500000]

这道题最基础的做法是对于每一组数据跑一遍DP，显然是 (O(nm)) 的做法，会 TLE。
那么这道题也算是一道比较特殊的虚树题（某taotao给我说的：这道题必须把根节点1放在虚树里，就不能体现虚树的一些性质）。

「DP部分」

不难想到将点u与根节点割开无非就是割去根节点到u的路径上的一条边，根据这一点我们定义 dp[u] 表示 根节点到u的路径上的最小边，也就是将 u 从根节点割开的最小花费。
那么就可以得到简单的转移式，首先初始值是 (dp[1]=INF)（感性理解就是1不可能与它本身割开），然后转移式：

[u是v的父亲节点; (u,v)表示u到v的边权\ dp[v]=min{dp[u],(u,v)}]

也就是说要么在 1 到 u 的路径上割掉一条边，要么割断 u 到 v 的边。

「虚树部分」

为什么说“一些点的lca有用”呢？等会在「求解部分」会解释。
虚树的构建方法大概是：

1. 将有用点按 dfs 序排序；
2. 创建栈并将第一个点压入；
3. 枚举下一个点 u （直到枚举完为止）；
4. 如果栈内只有一个点，将 u 压入栈，跳到步骤 3，否则进行下一步；
5. 求 u 与 栈顶点 的lca；
6. 如果lca就是栈顶点，跳转到步骤3，否则进行下一步；
7. 设栈内栈顶点的后面一个点为w；
8. 如果w的dfs序大于等于lca的dfs序，进行下一步，否则跳转到步骤 10；
9. 在 w 和 栈顶点 之间连边，并弹出栈顶，跳转到步骤7；
10. 如果 lca 不是现在的栈顶点，在 lca 和现在栈顶点之间连边；
11. 弹出栈顶，并将 lca 压入栈；
12. 压入u，跳转到步骤3；

（希望reader们都看懂了，可以把样例拿来自己推一推）
这样一棵虚树就构造好了。
注意重置虚树的方法，不要 memset（我已经试过了）

「求解部分」

（这里的DFS实际上就是树形DP，而dp[u]表示的并不是DP数组，只是u到根节点到路径上的最小边-既然有reader问到了我还是补一下）
从根节点1开始，在虚树上DFS一遍，如果当前节点是叶子节点，就直接返回它的dp值，否则返回 min{它的dp值,它的所有儿子的返回值之和}
就相当于如果要割断 u 和 v ，要么割断它们的lca，要么分别将它们割断（花费加起来）。所以lca是有用的~

具体一点的话就是：
先判断当前u是否是叶子节点，如果是则说明这一定是题目给出的“有价值”的点，就不得不将它与它的父亲割开——返回 dp[u]
否则判断两种情况： ① 当前点到根节点的路径已经被割断了——也就是 dp[u]；② 逐个考虑u的儿子，分别将它们与根节点割开——(sum_{vin son of u}DFS(v))（虽然可能dp[v]表示的割去的边是根节点到u到路径上到边，看似是重复的，但是这样的情况会在①②两种情况取较小值时被排除~）

「至于这道题虚树的用处」

根据DP时的决策，我们发现需要的点无非3种——①根节点，因为这是DP的起点（而且转移时根节点也可能有一定贡献）；②“有价值的点”，这会作为虚树的叶子节点，并且限制DP时的转移；③lca，在DP转移时会有两种情况，要么是把lca到根节点的路径割断，要么是把“有价值的点”到lca到路径割断。
那么我们只需要考虑这3种点就可以了。

但是其实这只是一种特例——有一些（大多数）题是不一定要把根节点放在虚树里面的，比如 Codeforces 613D 。

「一些坑」

总的来说虚树题都会出很多个询问，然后我们要对每个询问都建立虚树……于是我们就面临一个问题——怎么重置虚树？
在这里我是用的手写链表储存的邻接表，所以我会在DFS(u)计算出答案之后将u的表头清零（就相当于把与u相连的所有边删掉了），最后再把链表的计数器清零。
切忌用memset（TLE的亲身经历），但是也要注意是否完全清零~

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『源代码』

结合代码更容易理解~

/*Lucky_Glass*/ 
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N=250000;
typedef long long ll;
int QRead(){
	int a=0,b=1;char c=getchar();
	while(!('0'<=c && c<='9')) b=(c=='-'? -1:b),c=getchar();
	while('0'<=c && c<='9') a=(a<<3)+(a<<1)+c-'0',c=getchar();
	return a*b;
}
struct GRAPH{
	struct EDGE{
		int to,nxt,cst;
		EDGE(){}
		EDGE(int _to,int _nxt,int _cst):to(_to),nxt(_nxt),cst(_cst){}
	}edg[N*2+7];
	int adj[N+7],edgtot;
	void ReBuild(){
		memset(adj,-1,sizeof adj);
		edgtot=0;
	}
	void AddEdge(int u,int v,int cst,bool dir=false){
		edg[++edgtot]=EDGE(v,adj[u],cst);adj[u]=edgtot;
		if(!dir) edg[++edgtot]=EDGE(u,adj[v],cst),adj[v]=edgtot;
	}
}grp,tre;
int dfncnt,n,q,m,statop;
int dfn[N+7],fa[N+7][20],dep[N+7],pnt[N+7],sta[N+7];
ll dp[N+7];
void DFS(int u,int pre){
	fa[u][0]=pre;dep[u]=dep[pre]+1;dfn[u]=++dfncnt;
	for(int i=1;i<20;i++) fa[u][i]=fa[fa[u][i-1]][i-1];
	for(int i=grp.adj[u];i!=-1;i=grp.edg[i].nxt){
		int v=grp.edg[i].to;
		if(v==pre) continue;
		dp[v]=min(dp[u],1ll*grp.edg[i].cst);
		DFS(v,u);
	}
}
int LCA(int u,int v){
	if(dep[u]>dep[v]) swap(u,v);
	for(int i=19;i>=0;i--)
		if(dep[fa[v][i]]>=dep[u])
			v=fa[v][i];
	if(u==v) return u;
	for(int i=19;i>=0;i--)
		if(fa[v][i]!=fa[u][i])
			v=fa[v][i],
			u=fa[u][i];
	return fa[u][0];
}
void Insert(int u){
	if(statop==1){sta[++statop]=u;return;}
	int lca=LCA(u,sta[statop]);
	if(lca==sta[statop]) return;
	while(statop>1 && dfn[sta[statop-1]]>=dfn[lca])
		tre.AddEdge(sta[statop-1],sta[statop],0,true),
		sta[statop--]=0;
	if(lca!=sta[statop]) tre.AddEdge(lca,sta[statop],0,true),sta[statop]=lca;
	sta[++statop]=u;
}
ll DP(int u){
	if(tre.adj[u]==-1) return dp[u];
	ll sum=0;
	for(int i=tre.adj[u];i!=-1;i=tre.edg[i].nxt)
		sum+=DP(tre.edg[i].to);
	tre.adj[u]=-1;
	return min(sum,dp[u]);
}
bool cmp(int a,int b){return dfn[a]<dfn[b];}
int main(){
	grp.ReBuild();
	tre.ReBuild();
	n=QRead();
	for(int i=1,u,v,cst;i<n;i++)
		u=QRead(),v=QRead(),cst=QRead(),
		grp.AddEdge(u,v,cst);
	dp[1]=(1ll<<60);
	DFS(1,0);
	q=QRead();
	while(q--){
		m=QRead();
		for(int i=0;i<m;i++) pnt[i]=QRead();
		sort(pnt,pnt+m,cmp);
		tre.edgtot=0;
		sta[statop=1]=1;
		for(int i=0;i<m;i++) Insert(pnt[i]);
		while(statop>1)
			tre.AddEdge(sta[statop-1],sta[statop],0,true),
			sta[statop--]=0;
		printf("%lld
",DP(1));
	}
	return 0;
}

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(mathcal{The End})

(mathcal{Thanks For Reading!})

没看懂的部分可以在我的邮箱（(lucky\_glass@foxmail.com)）里询问~