“在一棵树上进行路径的修改、求极值、求和”乍一看只要线段树就能轻松解决,实际上,仅凭线段树是不能搞定它的。我们需要用到一种貌似高级的复杂算法——树链剖分。

树链剖分是将一棵树按照特殊的dfs序划分成链,从而使树上任意一条链最多被划分为log(n)段,同时保持的dfs序对子树操作的便利。

什么是树链剖分

  • 树链剖分,它可以对一棵树进行轻重链剖分后用数据结构来维护每条重链。
  • 比如下面这个问题:假设每个点有一个点权。如何把一棵树上的两个点uu,vv之间的简单路径上的所有点的点权增加dd?
  • 这就是树链剖分能够解决的的一个基本问题。

接下来介绍一下树链剖分的详细过程。

轻重链剖分

树链剖分的第一步就是将一棵树进行轻重链剖分。这一步决定了整个树链剖分的时间复杂度

引入几个概念:

  • size[u]:以u为根的子树大小

  • wson[u]:在u的儿子中size值最大的那一个,称作uu的重儿子

  • dfn[u]:每个点的dfs序号。pre[tot],如果dfn[u]=tot,则pre[tot]=u

  • 重链:指每个点与它的重儿子之间的连边(u—wson[u])

  • 轻链:在所有边中不是重的其他边
     

看图:

树链剖分_子树

如上图,每一个带红点的点就是轻儿子;每一条加粗的的边就是重链,没有加粗的就是轻边。比如说对于点2,那么
wson[2]=6,size[2]=5,size[wson[u]]=size[6]=3。
dfn[u]的含义就要稍微的特殊一些。因为它不仅仅是简单的dfs序号,而是按照轻重链的顺序来定义的。每次从一个点u往下dfs的时候,优先对wson[u]进行dfs,然后再遍历轻儿子们。
比如说上图,每条边上有一个序号。把这个序号看做是点的(比如说1->4上面的1应该是dfn[4])。从1开始dfs,可以明显的看到是先对4进行dfs,然后再对wson[4]也就是9进行dfs….到了叶子节点再回溯去dfs轻儿子。
为什么要这样做呢?因为这样之后,可以看到,每一条长重链上的每个点的dfn是连续的。比如1->4->9->13->14这条长重链上的dfn便是连续的,其他两条也一样。这样一来,就可以用维护区间的数据结构(比如线段树)来维护重链上的信息。

树链剖分的好处

  • 一个上面已经说了,就是重链上的dfn是连续的,可以用数据结构维护
  • 还有就是,在每一条由根到叶子结点的路径上,轻链的条数和重链的长度均不会超过logn。这个性质决定了树链剖分的时间复杂度。如果是拿线段树来维护链的话,复杂度就是nlog2n

代码实现轻重链剖分

  • 一共需要两个dfs。
  • 第一个用来处理每个点的基础信息(wson,size,dep,fa)

第一个:

inline dfs1(int u, int f)//两个参数:u是现在的点,f是u的父亲
{
    size[u] = 1;//最开始u的子树中只有u一个点
    for(edge *p = head[u]; p; p = p->next)//遍历每一个与u相连的点
    {
        int v = p->v;
        if(v == f)
            continue;//如果此点是u的父亲就跳过
        dep[v] = dep[u] + 1;
        fa[v] = u;//处理信息
        dfs1(v, u);//继续递归
        size[u] += size[v];//u的子树大小要加上v的子树大小
        if(size[wson[u]] < size[v])
            wson[u] = v;//更新重儿子
    }
}
  • 这样就用一个dfs处理出了每个点的信息。
  • 再用第二个dfs求出每个点的dfn以及该点所处的链的链首。

Code:

void dfs2(int u, int tp)//u是当前点,tp是该链链首
{
    dfn[u] = ++tot;
    pre[tot] = u,;
    top[u] = tp;
    //pre是dfn的反函数。如dfn[2] = 3,pre[3] = 2...
    //为什么要有这个反函数,因为在建线段树的时候是用dfn建的,然而如果想要知道原来那个点的信息就要知道pre
    if(wson[u])
        dfs2(wson[u], tp);//有重儿子就继续往下拉重链
    for(edge * p = head[u]; p; p = p->next)//回过头来在轻儿子中拉链
    {
        int v = p->v;
        if(v != fa[u] && v != wson[u])
            dfs2(v, v);//如果不是爸爸或重儿子,已该点为链首继续拉链
    }
}

线段树维护重链

  • 就是用线段树维护重链上的信息。
  • 注意事项:这里所有的参数都是以dfn的形象出现的,而不是原来那个点的序号。

Code:

void build(node *r, int left, int right)
{
    r->left = left;
    r->right = right;
    r->lazy = -1;
    r->s = 0;
    if(left == right)
    {
        r->s = value[pre[left]];
        //这里是pre[left]不是left!原因就是刚才说的:这里所有的参数都是以dfn的形象出现的,而不是原来那个点的序号。
        return ;
    }
    int mid = (left + right) / 2;
    node *lson = &pool[++cnt], *rson = &pool[++cnt];
    r->ch[0] = lson, r->ch[1] = rson;
    build(lson, left, mid);
    build(rson, mid + 1, right);
    pushup(r);
}

两点间路径的修改&查询

  • 就是最开始提到的问题:如何把一棵树上的两个点uu,vv之间的简单路径上的所有点的点权增加dd?

树链剖分_其他_02

在同一重链上的两点都可以直接查询

例如求6与7之间的和
将6跳到1,同时答案加上query(dfn[2],dfn[6]);然后将7跳到1,答案加上query(dfn[3],dfn[7])

修改Code:

void modify(int u, int v, int d)
{
    while(top[u] != top[v]) //直到跳到一条链上
    {
        if(dfn[top[u]] < dfn[top[v]])
            swap(u, v);//这里根据链首的值交换一下
        change(root, dfn[top[u]], dfn[u], d), u = fa[top[u]];//最后u=链首的爸爸
    }
    if(dep[u] > dep[v])
        swap(u, v);
    change(root, dfn[u], dfn[v], d);
    //Q1
}

查询Code:

int Qsum(int u, int v)
{
    int ret = 0;
    while(top[u] != top[v])
    {
        if(dfn[top[u]] < dfn[top[v]])
            swap(u, v);
        ret += query(root, dfn[top[u]], dfn[u]), u = fa[top[u]];
    }
    if(dep[u] > dep[v])
        swap(u, v);
    ret += query(root, dfn[u], dfn[v]);
    return ret;
}