Tarjan

Tarjan

1. DFS树(深度优先搜索树)

• 上图右图是左图以1为起点进行DFS时产生的生成树。

• 有向图的 DFS 生成树主要有 4 种边（不一定全部出现）：

  1. 树边(tree edge)：绿色边，每次搜索找到一个还没有访问过的结点（白点）的时候就形成了一条树边。
  2. 返祖边(back edge)：黄色边，也被叫做回边，即指向祖先结点（灰点）的边。
  3. 横叉边(cross edge)：红色边，它主要是在搜索的时候遇到了一个已经访问过（黑点dfn[u]>dfn[v]）的结点，但是这个结点 并不是 当前结点的祖先时形成的。
  4. 前向边(forward edge)：蓝色边，它是在搜索的时候遇到子树中的结点（黑点dfn[u]<dfn[v]）的时候形成的。

• 无向图不存在横叉边和前向边。

2. Tarjan算法求强连通分量

• 强连通分量(Strongly Connected Components)，经常简写为：SCC，有向图中任意两点间可达，实际上形成一个环。

• Tarjan基于对图的深度优先搜索，并对每个节点引入两个值：

  • dfn[u]：节点u的时间戳，记录点u是DFS过程中第几个访问的节点。
  • low[u]：记录节点u或u的子树不经过搜索树上的边(树边)能够到达的时间戳最小的节点。
  • 初始时，dfn[u]==low[u]。

• 对于每一条与u相连的边<u,v>：

  • 若在搜索树上v是u的子节点，即边<u,v>是树枝边，则更新low[u]= min(low[u], low[v])；
  • 若<u,v>不是搜索树上的边(反向边)，则更新low[u]= min(low[u], dfn[v])；

• 缩点

  • 在有向图中，我们经常需要把一个SCC缩成一个点，然后生成一个有向无环图(DAG)，或把一个无向图缩点后变成一棵树，然后可以有很多优秀的性质进行解决。
  • 算法实现：
    1. 从图的某一点u开始，对图进行DFS(u)，点维护dfn[u]值和low[u]值。
    2. DFS时先将u压入栈中，然后遍历邻接边，邻接边定点为v：
       • <u,v>为树边：DFS(v)，回溯时更新：low[u]=min(low[u],low[v])。
       • <u,v>为返祖边：直接更新：low[u]=min(low[u],dfn[v])。
    3. 节点u变黑，即其所有子树访问结束时，若dfn[u]==low[u]时，此时栈顶节点到节点u，为一个SCC。

• 例题：缩点(洛谷p3387)

  Description

  • 给定一个 n 个点 m 条边有向图，每个点有一个权值，求一条路径，使路径经过的点权值之和最大。你只需要求出这个权值和。
  • 允许多次经过一条边或者一个点，但是，重复经过的点，权值只计算一次。

  Input

  • 第一行两个正整数 n,m。
  • 第二行 n个整数，依次代表点权
  • 第三至 m+2 行，每行两个整数 u,v，表示一条 (u ightarrow v) 的有向边。

  Output

  • 共一行，最大的点权之和。

  Sample Input

  2 2
  1 1
  1 2
  2 1
  

  Sample Output

  2
  

  Hint

  • 对于 (100\%) 的数据，(1le n le 10^4)，(1le m le 10^5)，点权$ in [0,1000]$。

  分析：

  • 题目说可重复的经过同一个点和边，但权值只算一次，如果图是一个强连通图的话，显然每个点我们都能走一遍，答案就是所有点的点权和。

  • 我们先对图进行Tanjan缩点并维护每个点的权值和sum[]，缩点后，在原图的基础上我们建出新的DAG图。

  • 在新的DAG图中，我们可以进行拓扑排序+dp，定义dp[i]表示以节点i为起点的最大点权和，转移方程：dp[i]=max(dp[j]+sum[i])，j为i的子节点。

  • Code

    #include <bits/stdc++.h>
    const int maxn=100000+5
    struct edge{
    	int from,to, next;
    }e[maxn << 1],g[maxn << 1];//e原图，g存储新图DAG 
    int lene,leng, heade[maxn],headg[maxn];//图e和g的边表 
    int Time, dfn[maxn], low[maxn], vis[maxn],s[maxn],top;//s是模拟栈，要全局 
    int dp[maxn], n, m, sum[maxn], a[maxn], tot, belong[maxn];
    void Inserte(int x, int y){ e[++lene].from=x;e[lene].to =y;e[lene].next=heade[x], heade[x] = lene; }//原图
    void Insertg(int x, int y){ g[++leng].from=x;g[leng].to =y;g[leng].next=headg[x], headg[x] = leng; }//新图
    void tarjan(int u){
    	dfn[u] = low[u] = ++Time;//初始化
    	vis[u] = 1;s[++top]=u;//标记并进栈
    	for (int i = heade[u]; i; i = e[i].next){
    		int v = e[i].to;
    		if (!dfn[v]) {//v为白点
    			tarjan(v);
    			low[u] = std::min(low[u], low[v]);//<u,v>为树枝子节点low值更新父节点low值
    		}//否则有可能是返祖边
    		else if (vis[v]) low[u] = std::min(low[u], dfn[v]);
    	}
    	if(dfn[u] == low[u]){//缩点
    		++tot;//记录新图节点数
    		while(s[top+1]!=u){//从栈顶到u的点缩成一个新点tot
    			int v=s[top];
    			belong[v]=tot;vis[v]=0;sum[tot]+=a[s[top--]];
    		}//belong表示强连通分量编号，vis表示是否在栈中,sum表示强连通分量权值和
    		
    	}
    }
    void dfs(int u){
    	if (dp[u]) return;
    	dp[u] = sum[u];
    	for (int i = headg[u]; i; i = g[i].next){
    		int v = g[i].to;
    		dfs(v);
    		dp[u] = std::max(dp[u], dp[v] + sum[u]);//这里是记忆化
    	}
    }
    int main(){
    	scanf("%d%d",&n,&m);
    	for (int i = 1; i <= n; ++i) scanf("%d",&a[i]);
    	for (int i = 1; i <= m; ++i){
    		int x,y;scanf("%d%d",&x,&y);
    		Inserte(x,y);
    	}
    	for (int i = 1; i <= n; ++i)
    		if (!dfn[i]) tarjan(i);
    	leng = 0;
    	memset(headg, 0, sizeof(headg));
    	for (int i = 1; i <= m; ++i){//遍历原始边建新图
    		int u=e[i].from,v=e[i].to;
    		if (belong[u] != belong[v]) //判断边的两个端点是否在同一个新点中
    			Insertg(belong[u], belong[v]);//不在就建一条边
    	}
    	int ans=0;		
    	for (int i = 1; i <= tot; ++i)
    		if (!dp[i]){
    			dfs(i);
    			ans = std::max(ans, dp[i]);
    		}
    	printf("%d
    ", ans);
    	return 0;
    }