树链剖分 简单讲解

如果我们想对一棵树上一个节点到另一个节点的路径进行求和,求极值,修改等操作,单单借助线段树是远远不够的,这个时候我们就需要借用树链剖分的帮助。

树链剖分,顾名思义,树链,指的是树上的路径,剖分就是把树上的各条路径分为重链,轻链。

套用卿学姐的话,树链剖分其实就是一个对树上属性进行hash的一个过程,将树型结构hash成链式结构,再将这些链放至线段树,树状数组等数据结构来解决问题。

学习树链剖分首先要先知道以下几个概念:

1、重儿子:如果v是节点u的儿子节点中子树节点数最大的节点,那么v就是u的重儿子;

2、轻儿子:节点u除了v以外其他的儿子节点;

3、重边:节点u与其重儿子之间的连边;

4、轻边:节点u与其轻儿子之间的连边;

5、重链:由重边所连成的链;

6、轻链:由轻边所连成的链。


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在树链剖分的过程中,我们需要调用一些数组来存储这棵树的一些信息:

1、sz[x] : 以x为根节点的子树的节点数;2、son[x] :节点x的重儿子;3、fa[x] :节点x的父亲节点;

4、dep[x]:节点x在这棵树种的深度;5、top[x]:节点x所在的链的端点;

6、id[x]:节点x与其父亲节点的连边在树链剖分之后的编号(也就是用来记录这条边或者点在线段树中的位置,注意在一条链上的所有编号必然是连续的)。


算法实现过程:

1、第一遍dfs遍历一遍整棵树,将sz,son,fa,dep这些信息处理出来;(这个过程较简单就不详细讲了,看看代码就行了)

void dfs1(int u){
    sz[u] = 1;son[u] = 0;
    for(int i = 0;i < E[u].size();i++){
        int v = E[u][i];
        if(v == fa[u]) continue;
        fa[v] = u;dep[v] = dep[u] + 1;
        dfs1(v);
        sz[u] += sz[v];
        if(sz[v] > sz[son[u]]) son[u] = v;
    }
}

2、第二遍dfs我们就可以借助第一遍dfs得到的信息将每条链的端点信息top以及每个点的编号id处理出来;根据定义,我们知道,如果一个节点v是其父亲节点的重儿子,那么这个节点肯定是跟父亲节点在一条链上的,那么这个节点所在链的端点必然和父亲节点相同,也就是top[u] = top[fa[u]];如果一个节点v不是父亲节点的重儿子,那么它就会生成一条新的以自己为端点的链,也就是top[v] = v。那么从根节点往下不断的重复上面两个过程,就可以把top处理出来了,id在这个过程中也能一并处理出来。

void dfs2(int u,int tp){
    id[u] = ++tot;top[u] = tp;
    if(son[u]) dfs2(son[u],tp);//重儿子的top是等于父亲节点的;
    for(int i = 0;i < E[u].size();i++){
        int v = E[u][i];
        if(v == fa[u] || v == son[u]) continue;
        dfs2(v,v);//轻儿子的top就是它本身;
    }
}
举一个简单的例子讲一下这个过程


第一次dfs之后,我们知道节点1的重儿子为3,3的重儿子为7,7的重儿子为11,11的重儿子为12,那么这些节点的top值就全都等于1,根据dfs的性质,他们的id编号必然是连续的,也就是在一条链上;同理在处理出重链之后,以节点2为top也就可以处理出第二条链2 - 6 - 9,重复这个过程就能将所有链处理出来了。

经过树剖之后剖出来的几条链分别为1-3-7-11-12(重链),2-6-9,4,5,8;


那么我们要怎么利用这些链来进行对树上路径的修改,查询呢?

假设我们要修改u到v之间路径的值,在学树链剖分之前,我们可能是去求u和v的LCA,再慢慢往上更新,而有了树链剖分之后,我们可以对路径进行成段更新,因为前面说了,在一条链上的的节点的id值是连续的,那么我们就可以一条链一条链的进行更新。

假设f1 = top[u],f2 = top[v],dep[f1] > dep[f2],那么我们就可以利用线段树更新从u到f1这条路径上的值,再令u = fa[f1],f1 = top[u];重复上面的过程,直到u和v在同一条链上,再将u到v这条链更新就行了。


再根据上面的图说明下

假设我们要修改节点6到节点10这条路径上的值

假设u = 6,v = 10,那么f1 = 2,f2 = 10,一开始dep[f1] < dep[f2]的,那么就先修改(v,f2)这条路径上的值;

接下来v = fa[10] = 7,f2 = 1,此时dep[f1] > dep[f2],接着修改(u,f1)这条路径上的值;

接下来u = fa[2] = 1,此时u和v就在一条链上了,我们就可以直接修改(u,v)这条路径上的值了。


下面给上代码,结合代码再理解理解这个过程即可。

void Update(int u,int v){//修改
    while(top[u] != top[v]){
        if(dep[top[u]] < dep[top[v]]) swap(u,v);
        update(id[top[u]],id[u],1,n,1);
        u = fa[top[u]];
    }
    if(dep[u] > dep[v]) swap(u,v);
    update(id[u]],id[v],1,n,1);
}
int solve(int op,int u,int v){
    //查询u到v的最大值和权值和
    int ans = 0;
    if(!op){
        while(top[u] != top[v]){
            if(dep[top[u]] < dep[top[v]]) swap(u,v);
            ans = max(ans,query_max(id[top[u]],id[u],1,n,1));
            u = fa[top[u]];
        }
        if(dep[u] > dep[v]) swap(u,v);
        ans = max(ans,query_max(id[u],id[v],1,n,1));
    } else{
        while(top[u] != top[v]){
            if(dep[top[u]] < dep[top[v]]) swap(u,v);
            ans += query_sum(id[top[u]],id[u],1,n,1);
            u = fa[top[u]];
        }
        if(dep[u] > dep[v]) swap(u,v);
        ans += query_sum(id[u],id[v],1,n,1);
    }
    return ans;
}



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