【數據結構】樹鏈剖分詳細講解
「在一棵樹上進行路徑的修改、求極值、求和」乍一看只要線段樹就能輕鬆解決，實際上，僅憑線段樹是不能搞定它的。咱們須要用到一種貌似高級的複雜算法——樹鏈剖分。php
樹鏈剖分是把一棵樹分割成若干條鏈，以便於維護信息的一種方法，其中最經常使用的是重鏈剖分（Heavy Path Decomposition，重路徑分解），因此通常提到樹鏈剖分或樹剖都是指重鏈剖分。除此以外還有長鏈剖分和實鏈剖分等，本文暫不介紹。html
首先咱們須要明確概念：
- 重兒子：父親節點的全部兒子中子樹結點數目最多（size最大）的結點；
- 輕兒子：父親節點中除了重兒子之外的兒子；
- 重邊：父親結點和重兒子連成的邊；
- 輕邊：父親節點和輕兒子連成的邊；
- 重鏈：由多條重邊鏈接而成的路徑；
- 輕鏈：由多條輕邊鏈接而成的路徑；
咱們定義樹上一個節點的子節點中子樹最大的一個爲它的重子節點，其他的爲輕子節點。一個節點連向其重子節點的邊稱爲重邊，連向輕子節點的邊則爲輕邊。若是把根節點看做輕的，那麼從每一個輕節點出發，不斷向下走重邊，都對應了一條鏈，因而咱們把樹剖分紅了 \(l\) 條鏈，其中 \(l\) 是輕節點的數量。node
最近由於畫圖工具出了點問題，因此轉載了Pecco學長的示意圖（下面求LCA的方法的部份內容也來自Pecco學長）ios
剖分後的樹（重鏈）有以下性質：c++
-
對於節點數爲 \(n\) 的樹，從任意節點向上走到根節點，通過的輕邊數量不會超過 \(log\ n\)算法
這是由於當咱們向下通過一條 輕邊 時，所在子樹的大小至少會除以二。因此說，對於樹上的任意一條路徑，把它拆分紅從 \(lca\) 分別向兩邊往下走，分別最多走 \(O(\log n)\) 次，樹上的每條路徑均可以被拆分紅不超過 \(O(\log n)\) 條重鏈。數組
-
樹上每一個節點都屬於且僅屬於一條重鏈 。數據結構
重鏈開頭的結點不必定是重子節點（由於重邊是對於每個結點都有定義的）。全部的重鏈將整棵樹 徹底剖分 。工具
儘管樹鏈部分看起來很難實現（的確有點繁瑣），但咱們能夠用兩個 DFS 來實現樹鏈（樹剖）。學習
相關僞碼（來自 OI wiki）
第一個 DFS 記錄每一個結點的父節點（father）、深度（deep）、子樹大小（size）、重子節點（hson）。
第二個 DFS 記錄所在鏈的鏈頂（top，應初始化爲結點自己）、重邊優先遍歷時的 DFS 序（dfn）、DFS 序對應的節點編號（rank）。
如下爲代碼實現。
咱們先給出一些定義：
- \(fa(x)\) 表示節點 \(x\) 在樹上的父親（也就是父節點）。
- \(dep(x)\) 表示節點 \(x\) 在樹上的深度。
- \(siz(x)\) 表示節點 \(x\) 的子樹的節點個數。
- \(son(x)\) 表示節點 \(x\) 的 重兒子 。
- \(top(x)\) 表示節點 \(x\) 所在 重鏈 的頂部節點（深度最小）。
- \(dfn(x)\) 表示節點 \(x\) 的 DFS 序 ，也是其在線段樹中的編號。
- \(rnk(x)\) 表示 DFS 序所對應的節點編號，有 \(rnk(dfn(x))=x\) 。
咱們進行兩遍 DFS 預處理出這些值，其中第一次 DFS 求出 \(fa(x)\) , \(dep(x)\) , \(siz(x)\) , \(son(x)\) ，第二次 DFS 求出 \(top(x)\) , \(dfn(x)\) , \(rnk(x)\) 。
// 固然樹鏈寫法不止一種，這個是我學習Oi wiki上知識點記錄的模板代碼
void dfs1(int o) {
son[o] = -1, siz[o] = 1;
for (int j = h[o]; j; j = nxt[j])
if (!dep[p[j]]) {
dep[p[j]] = dep[o] + 1;
fa[p[j]] = o;
dfs1(p[j]);
siz[o] += siz[p[j]];
if (son[o] == -1 || siz[p[j]] > siz[son[o]])
son[o] = p[j];
}
}
void dfs2(int o, int t) {
top[o] = t;
dfn[o] = ++cnt;
rnk[cnt] = o;
if (son[o] == -1)
return;
dfs2(son[o], t); // 優先對重兒子進行 DFS，能夠保證同一條重鏈上的點 DFS 序連續
for (int j = h[o]; j; j = nxt[j])
if (p[j] != son[o] && p[j] != fa[o])
dfs2(p[j], p[j]);
}
// 寫法2：來自Peocco學長,代碼僅做學習使用
void dfs1(int p, int d = 1){
int Siz = 1,ma = 0;
dep[p] = d;
for(auto q : edges[p]){ // for循環寫法和auto是C++11標準，競賽可用
dfs1(q,d + 1);
fa[q] = p;
Siz += sz[q];
if(sz[q] > ma)
hson[p] = q, ma = sz[q];// hson = 重兒子
}
sz[p] = Siz;
}
// 須要先把根節點的top初始化爲自身
void dfs2(int p){
for(auto q : edges[p]){
if(!top[q]){
if(q == hson[p])
top[q] = top[p];
else
top[q] = q;
dfs2(q);
}
}
}
以上這樣便完成了剖分。
學習到這裏想一想開頭的那句話：
「在一棵樹上進行路徑的修改、求極值、求和」乍一看只要線段樹就能輕鬆解決，實際上，僅憑線段樹是不能搞定它的。咱們須要用到一種貌似高級的複雜算法——樹鏈剖分。
若是不能一下想不到線段樹解決不了的問題的話不如看看這道題 ↓
Hdu 3966 Aragorn's Story
題目連接：http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=3966
題意：給一棵樹，並給定各個點權的值，而後有3種操做：
I C1 C2 K: 把C1與C2的路徑上的全部點權值加上K
D C1 C2 K：把C1與C2的路徑上的全部點權值減去K
Q C：查詢節點編號爲C的權值
分析：典型的樹鏈剖分題目，先進行剖分，而後用線段樹去維護便可
// Author : RioTian
// Time : 20/11/30
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define lson l, m, rt << 1
#define rson m + 1, r, rt << 1 | 1
typedef long long ll;
typedef int lld;
stack<int> ss;
const int maxn = 2e5 + 10;
const int inf = ~0u >> 2; // 1073741823
int M[maxn << 2];
int add[maxn << 2];
struct node {
int s, t, w, next;
} edges[maxn << 1];
int E, n;
int Size[maxn], fa[maxn], heavy[maxn], head[maxn], vis[maxn];
int dep[maxn], rev[maxn], num[maxn], cost[maxn], w[maxn];
int Seg_size;
int find(int x) {
return fa[x] == x ? x : fa[x] = find(fa[x]);
}
void add_edge(int s, int t, int w) {
edges[E].w = w;
edges[E].s = s;
edges[E].t = t;
edges[E].next = head[s];
head[s] = E++;
}
void dfs(int u, int f) { //起點，父節點
int mx = -1, e = -1;
Size[u] = 1;
for (int i = head[u]; i != -1; i = edges[i].next) {
int v = edges[i].t;
if (v == f)
continue;
edges[i].w = edges[i ^ 1].w = w[v];
dep[v] = dep[u] + 1;
rev[v] = i ^ 1;
dfs(v, u);
Size[u] += Size[v];
if (Size[v] > mx)
mx = Size[v], e = i;
}
heavy[u] = e;
if (e != -1)
fa[edges[e].t] = u;
}
inline void pushup(int rt) {
M[rt] = M[rt << 1] + M[rt << 1 | 1];
}
void pushdown(int rt, int m) {
if (add[rt]) {
add[rt << 1] += add[rt];
add[rt << 1 | 1] += add[rt];
M[rt << 1] += add[rt] * (m - (m >> 1));
M[rt << 1 | 1] += add[rt] * (m >> 1);
add[rt] = 0;
}
}
void built(int l, int r, int rt) {
M[rt] = add[rt] = 0;
if (l == r)
return;
int m = (r + l) >> 1;
built(lson), built(rson);
}
void update(int L, int R, int val, int l, int r, int rt) {
if (L <= l && r <= R) {
M[rt] += val;
add[rt] += val;
return;
}
pushdown(rt, r - l + 1);
int m = (l + r) >> 1;
if (L <= m)
update(L, R, val, lson);
if (R > m)
update(L, R, val, rson);
pushup(rt);
}
lld query(int L, int R, int l, int r, int rt) {
if (L <= l && r <= R)
return M[rt];
pushdown(rt, r - l + 1);
int m = (l + r) >> 1;
lld ret = 0;
if (L <= m)
ret += query(L, R, lson);
if (R > m)
ret += query(L, R, rson);
return ret;
}
void prepare() {
int i;
built(1, n, 1);
memset(num, -1, sizeof(num));
dep[0] = 0;
Seg_size = 0;
for (i = 0; i < n; i++)
fa[i] = i;
dfs(0, 0);
for (i = 0; i < n; i++) {
if (heavy[i] == -1) {
int pos = i;
while (pos && edges[heavy[edges[rev[pos]].t]].t == pos) {
int t = rev[pos];
num[t] = num[t ^ 1] = ++Seg_size;
// printf("pos=%d val=%d t=%d\n", Seg_size, edge[t].w, t);
update(Seg_size, Seg_size, edges[t].w, 1, n, 1);
pos = edges[t].t;
}
}
}
}
int lca(int u, int v) {
while (1) {
int a = find(u), b = find(v);
if (a == b)
return dep[u] < dep[v] ? u : v; // a,b在同一條重鏈上
else if (dep[a] >= dep[b])
u = edges[rev[a]].t;
else
v = edges[rev[b]].t;
}
}
void CH(int u, int lca, int val) {
while (u != lca) {
int r = rev[u]; // printf("r=%d\n",r);
if (num[r] == -1)
edges[r].w += val, u = edges[r].t;
else {
int p = fa[u];
if (dep[p] < dep[lca])
p = lca;
int l = num[r];
r = num[heavy[p]];
update(l, r, val, 1, n, 1);
u = p;
}
}
}
void change(int u, int v, int val) {
int p = lca(u, v);
// printf("p=%d\n",p);
CH(u, p, val);
CH(v, p, val);
if (p) {
int r = rev[p];
if (num[r] == -1) {
edges[r ^ 1].w += val; //在此處發現了我代碼的重大bug
edges[r].w += val;
} else
update(num[r], num[r], val, 1, n, 1);
} //根節點，特判
else
w[p] += val;
}
lld solve(int u) {
if (!u)
return w[u]; //根節點，特判
else {
int r = rev[u];
if (num[r] == -1)
return edges[r].w;
else
return query(num[r], num[r], 1, n, 1);
}
}
int main() {
// freopen("in.txt", "r", stdin);
ios::sync_with_stdio(false), cin.tie(0), cout.tie(0);
int t, i, a, b, c, m, ca = 1, p;
while (cin >> n >> m >> p) {
memset(head, -1, sizeof(head));
E = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i)
cin >> w[i];
for (int i = 0; i < m; ++i) {
cin >> a >> b;
a--, b--;
add_edge(a, b, 0), add_edge(b, a, 0);
}
prepare(); // 預處理
string op;
while (p--) {
cin >> op;
if (op[0] == 'I') { //區間添加
cin >> a >> b >> c;
a--, b--;
change(a, b, c);
} else if (op[0] == 'D') { //區間減小
cin >> a >> b >> c;
a--, b--;
change(a, b, -c);
} else { //查詢
cin >> a;
a--;
cout << solve(a) << endl;
}
}
}
return 0;
}
因爲數據很大，建議使用快讀，而不是像我同樣用 cin（差了近500ms了）
摺疊代碼是千千dalao的解法：
Code
//千千dalao解法
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long LL;
const int maxn = 50010;
struct Edge {
int to;
int next;
} edge[maxn << 1];
int head[maxn], tot; //鏈式前向星存儲
int top[maxn]; // v所在重鏈的頂端節點
int fa[maxn]; //父親節點
int deep[maxn]; //節點深度
int num[maxn]; //以v爲根的子樹節點數
int p[maxn]; // v與其父親節點的連邊在線段樹中的位置
int fp[maxn]; //與p[]數組相反
int son[maxn]; //重兒子
int pos;
int w[maxn];
int ad[maxn << 2]; //樹狀數組
int n; //節點數目
void init() {
memset(head, -1, sizeof(head));
memset(son, -1, sizeof(son));
tot = 0;
pos = 1; //由於使用樹狀數組，因此咱們pos初始值從1開始
}
void addedge(int u, int v) {
edge[tot].to = v;
edge[tot].next = head[u];
head[u] = tot++;
}
//第一遍dfs，求出 fa,deep,num,son (u爲當前節點,pre爲其父節點,d爲深度)
void dfs1(int u, int pre, int d) {
deep[u] = d;
fa[u] = pre;
num[u] = 1;
//遍歷u的鄰接點
for (int i = head[u]; i != -1; i = edge[i].next) {
int v = edge[i].to;
if (v != pre) {
dfs1(v, u, d + 1);
num[u] += num[v];
if (son[u] == -1 || num[v] > num[son[u]]) //尋找重兒子
son[u] = v;
}
}
}
//第二遍dfs，求出 top,p
void dfs2(int u, int sp) {
top[u] = sp;
p[u] = pos++;
fp[p[u]] = u;
if (son[u] != -1) //若是當前點存在重兒子，繼續延伸造成重鏈
dfs2(son[u], sp);
else
return;
for (int i = head[u]; i != -1; i = edge[i].next) {
int v = edge[i].to;
if (v != son[u] && v != fa[u]) //遍歷全部輕兒子新建重鏈
dfs2(v, v);
}
}
int lowbit(int x) {
return x & -x;
}
//查詢
int query(int i) {
int s = 0;
while (i > 0) {
s += ad[i];
i -= lowbit(i);
}
return s;
}
//增長
void add(int i, int val) {
while (i <= n) {
ad[i] += val;
i += lowbit(i);
}
}
void update(int u, int v, int val) {
int f1 = top[u], f2 = top[v];
while (f1 != f2) {
if (deep[f1] < deep[f2]) {
swap(f1, f2);
swap(u, v);
}
//由於區間減法成立，因此咱們把對某個區間[f1,u]
//的更新拆分爲 [0,f1] 和 [0,u] 的操做
add(p[f1], val);
add(p[u] + 1, -val);
u = fa[f1];
f1 = top[u];
}
if (deep[u] > deep[v])
swap(u, v);
add(p[u], val);
add(p[v] + 1, -val);
}
int main() {
ios::sync_with_stdio(false);
int m, ps;
while (cin >> n >> m >> ps) {
int a, b, c;
for (int i = 1; i <= n; i++)
cin >> w[i];
init();
for (int i = 0; i < m; i++) {
cin >> a >> b;
addedge(a, b);
addedge(b, a);
}
dfs1(1, 0, 0);
dfs2(1, 1);
memset(ad, 0, sizeof(ad));
for (int i = 1; i <= n; i++) {
add(p[i], w[i]);
add(p[i] + 1, -w[i]);
}
for (int i = 0; i < ps; i++) {
char op;
cin >> op;
if (op == 'Q') {
cin >> a;
cout << query(p[a]) << endl;
} else {
cin >> a >> b >> c;
if (op == 'D')
c = -c;
update(a, b, c);
}
}
}
return 0;
}
利用樹鏈求LCA
這個部分參考了Peocco學長，十分感謝
在這道經典題中，求了LCA，但爲何樹剖就能夠求LCA呢？
樹剖能夠單次 \(O(log\ n)\)! 地求LCA，且常數較小。假如咱們要求兩個節點的LCA，若是它們在同一條鏈上，那直接輸出深度較小的那個節點就能夠了。
不然，LCA要麼在鏈頭深度較小的那條鏈上，要麼就是兩個鏈頭的父節點的LCA，但毫不可能在鏈頭深度較大的那條鏈上[1]。因此咱們能夠直接把鏈頭深度較大的節點用其鏈頭的父節點代替，而後繼續求它與另外一者的LCA。
因爲在鏈上咱們能夠 \(O(1)\) 地跳轉，每條鏈間由輕邊鏈接，而通過輕邊的次數又不超過 ，因此咱們實現了 \(O(log\ n)\) 的LCA查詢。
int lca(int a, int b) {
while (top[a] != top[b]) {
if (dep[top[a]] > dep[top[b]])
a = fa[top[a]];
else
b = fa[top[b]];
}
return (dep[a] > dep[b] ? b : a);
}
結合數據結構
在進行了樹鏈剖分後，咱們即可以配合線段樹等數據結構維護樹上的信息，這須要咱們改一下第二次 DFS 的代碼，咱們用dfsn數組記錄每一個點的dfs序，用madfsn數組記錄每棵子樹的最大dfs序：(這裏有點像連通圖的知識了)
// 須要先把根節點的top初始化爲自身
int cnt;
void dfs2(int p) {
madfsn[p] = dfsn[p] = ++cnt;
if (hson[p] != 0) {
top[hson[p]] = top[p];
dfs2(hson[p]);
madfsn[p] = max(madfsn[p], madfsn[hson[p]]);
}
for (auto q : edges[p])
if (!top[q]) {
top[q] = q;
dfs2(q);
madfsn[p] = max(madfsn[p], madfsn[q]);
}
}
注意到，每棵子樹的dfs序都是連續的，且根節點dfs序最小；並且，若是咱們優先遍歷重子節點，那麼同一條鏈上的節點的dfs序也是連續的，且鏈頭節點dfs序最小。
因此就能夠用線段樹等數據結構維護區間信息（以點權的和爲例），例如路徑修改（相似於求LCA的過程）：
void update_path(int x, int y, int z) {
while (top[x] != top[y]) {
if (dep[top[x]] > dep[top[y]]) {
update(dfsn[top[x]], dfsn[x], z);
x = fa[top[x]];
} else {
update(dfsn[top[y]], dfsn[y], z);
y = fa[top[y]];
}
}
if (dep[x] > dep[y])
update(dfsn[y], dfsn[x], z);
else
update(dfsn[x], dfsn[y], z);
}
路徑查詢：
int query_path(int x, int y) {
int ans = 0;
while (top[x] != top[y]) {
if (dep[top[x]] > dep[top[y]]) {
ans += query(dfsn[top[x]], dfsn[x]);
x = fa[top[x]];
} else {
ans += query(dfsn[top[y]], dfsn[y]);
y = fa[top[y]];
}
}
if (dep[x] > dep[y])
ans += query(dfsn[y], dfsn[x]);
else
ans += query(dfsn[x], dfsn[y]);
return ans;
}
子樹修改（更新）：
void update_subtree(int x, int z){
update(dfsn[x], madfsn[x], z);
}
子樹查詢：
int query_subtree(int x){
return query(dfsn[x], madfsn[x]);
}
須要注意，建線段樹的時候不是按節點編號建，而是按dfs序建，相似這樣：
for (int i = 1; i <= n; ++i)
B[i] = read();
// ...
for (int i = 1; i <= n; ++i)
A[dfsn[i]] = B[i];
build();
固然，不只能夠用線段樹維護，有些題也可使用珂朵莉樹等數據結構（要求數據不卡珂朵莉樹，如這道）。此外，若是須要維護的是邊權而不是點權，把每條邊的邊權下放到深度較深的那個節點處便可，可是查詢、修改的時候要注意略過最後一個點。
寫在最後：
OI wiki上有一些推薦作的列題，但每一個都須要比較多的時間+耐心去完成，因此這裏推薦幾個必作的題：
SPOJ QTREE – Query on a tree （樹鏈剖分）：千千dalao的題解報告
HDU 3966 Aragorn’s Story （樹鏈剖分）：建議先看一遍個人解法再獨立完成。
參考
洛穀日報：https://zhuanlan.zhihu.com/p/41082337
OI wiki：https://oi-wiki.org/graph/hld/
Pecco學長：https://www.zhihu.com/people/one-seventh
千千：https://www.dreamwings.cn/hdu3966/4798.html
設top[a]的深度≤top[b]的深度，且c=lca(a,b)在b所在的鏈上；那麼c是a和b的祖先且c的深度≥top[b]的深度，那麼c的深度≥top[a]的深度。c是a的祖先，top[a]也是a的祖先，c的深度大於等於top[a]，那c必然在鏈接top[a]和a的這條鏈上，與前提矛盾 ↩︎
- 1. 樹鏈剖分講解
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- 4. 數據結構與算法(九)：AVL樹詳細講解
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- 6. 【洛谷 P3384】樹鏈剖分【詳解樹鏈剖分】
- 7. 樹鏈剖分入門講解
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