树链剖分浅谈


在学树链剖分之前,我们先得理解什么是树链剖分,以及它的应用

那么,什么是树链剖分呢(~ ̄▽ ̄)~

树链剖分就是将树分割成多条链,然后利用数据结构(线段树、树状数组等)来维护这些链。

看上去好像很好理解的样子!(实际上也的确是这样……),咳咳,那它到底有什么应用,先看一道水题:


e.g

给你一颗有根树,对区间进行两种操作:1.路径值修改(树上差分?);2.查询路径和(LCA?)

确实水到不行= =

不用莫队之类的操作,我们想要在低时间复杂度的情况下完成这两个操作,用求LCA的方法显然是不现实的,每次修改后都会花费\(O(n)\)的时间复杂度\(dfs\)更新\(dis\)(老东西,你的LCA最没用了)

(求路径和原理:\(Ans=dis[x]+dis[y]-2*lca(x,y)\)),当然,\(dfs\)序后线段树也是可行的,但是树链剖分可以解决的问题当然不是这种水题,这道题只是为了引路(老东西,你的水题最没用了)


在正式开始学习树链剖分之前,我们先来看一些概念:


一些概念:

重儿子(吃的好的儿子):儿子中子树中节点个数最大的儿子

轻儿子(吃的不好的儿子):非重儿子的儿子

重边:连接父亲与重儿子的边

轻边:连接父亲与轻儿子的边

重链:重边构成的一条链

轻链:轻边构成的一条链

如图:

图中红色的边就是重边,而重边所连接的点就是重节点,而标上红色五角星的点就是后文的\(top\)节点,从图中我们也可以显然的发现,轻边上的叶子节点必然是\(top\)节点,我们之后也会用到

变量声明:

\(dfn\):记录遍历后的\(dfs\)

\(pos\):记录\(dfs\)之后各节点在\(dfn\)中的编号(树上问题区间问题的思想)

\(top\):重链的起点

\(dep\):深度

\(sz\):子节点个数

\(son\):重儿子编号


那么,我们就要开始具体实现树链剖分啦!


首先,我们需要进行两次\(dfs\)

1.记录深度维护重儿子父节点

2.连接重链,维护\(top\)节点,dfs序


为什么我们不在第一次ds中就维护所有的信息呢?因为:我们希望优先将重链连接起来,使其在\(dfn\)中成为连续的一个区间;当我们在选择重儿子时如果有多个儿子子节点个数相同,我们只需要随便选择一个就好。(此乃自然之理)

dfs1 code

void dfs1(ll x,ll pre)
{
    ll siz=G[x].size();
    sz[x]++;
    dep[x]=dep[pre]+1;
    fa[x]=pre;
    for(ll i=0,p=G[x][i]; i<siz; i++,p=G[x][i]) {
        if(p==pre) continue;
        dfs1(p,x);
        sz[x]+=sz[p];
        if(sz[p]>sz[son[x]]) son[x]=p;//更新重儿子
    }
}

dfs2 code

void dfs2(ll x,ll t,ll pre)
{
    top[x]=t;//继承父亲的top
    dfn[++tot]=x;
    pos[x]=tot;

    if(!son[x]) return;
    dfs2(son[x],t,x);//优先更新重儿子

    ll siz=G[x].size();
    for(int i=0,p=G[x][i]; i<siz; i++,p=G[x][i]) {
        if(p==pre||p==son[x]) continue;
        dfs2(p,p,x);//从之前的结论我们可以看出轻边上的叶子节点必然是top节点,即轻链底端必定是top节点
    }
}

那么我们如何解决查询操作呢:

ll solve(ll x,ll y)
{
    ll ans=0,fx,fy;
    for(fx=top[fa[x]],fy=fa[top[y]]; fx!=fy; fx=top[fa[x]]) {
        ans+=query(root,1,maxn,pos[fx],pos[fy],0);
        if(dep[fx]<dep[fy]) swap(fx,fy);//可以理解为从深度更深的往上快速跳转
    }
    if(pos[fx]>pos[fy]) swap(fx,fy);
    ans+=query(root,1,maxn,pos[fx],pos[fy],0);
    return ans;
}

从代码中我们也可以看出,这跟倍增的思想非常相似,只不过这里是使用top进行加速罢了


树链剖分的性质:

1.对于任意轻边\((u,v)\)\(size(u)/2>size(v)\)

2.从根节点到任意节点经过的轻重链个数不会超过\(log_2 N\)


习题【SDOI2011 第1轮 DAY1】染色

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