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[数据结构与算法]【ACWing】2568. 树链剖分

题目地址:

https://www.acwing.com/problem/content/2570/

给定一棵树,树中包含 n n n个节点(编号 1 ~ n 1~n 1n),其中第 i i i个节点的权值为 a i a_i ai?。初始时, 1 1 1号节点为树的根节点。现在要对该树进行 m m m次操作,操作分为以下 4 4 4种类型:
1 u v k,修改路径上节点权值,将节点 u u u和节点 v v v之间路径上的所有节点(包括这两个节点)的权值增加 k k k
2 u k,修改子树上节点权值,将以节点 u u u为根的子树上的所有节点的权值增加 k k k
3 u v,询问路径,询问节点 u u u和节点 v v v之间路径上的所有节点(包括这两个节点)的权值和。
4 u,询问子树,询问以节点 u u u为根的子树上的所有节点的权值和。

输入格式:
第一行包含一个整数 n n n,表示节点个数。
第二行包含 n n n个整数,其中第 i 个整数表示 a i a_i ai?
接下来 n ? 1 n?1 n?1行,每行包含两个整数 x , y x,y x,y,表示节点 x x x和节点 y y y之间存在一条边。
再一行包含一个整数 m m m,表示操作次数。
接下来 m m m行,每行包含一个操作,格式如题目所述。

输出格式:
对于每个操作 3 3 3和操作 4 4 4,输出一行一个整数表示答案。

数据范围:
1 ≤ n , m ≤ 1 0 5 1≤n,m≤10^5 1n,m105
0 ≤ a i , k ≤ 1 0 5 0≤a_i,k≤10^5 0ai?,k105
1 ≤ u , v , x , y ≤ n 1≤u,v,x,y≤n 1u,v,x,yn

先介绍几个概念:
1、重儿子,轻儿子,重链:重儿子指的是,对于每个节点,其所有子树中,节点最多的那棵子树的树根。如果有若干棵子树节点数一样,则任选一个;不是重儿子的节点称为轻儿子。重链指的是极大的由重边构成的路径。叶子自成一条重链。
2、重边,轻边:重儿子向上连的边称为重边,非重边的边称为轻边。

接着从树根开始DFS,每次优先走重儿子。遍历完成之后的先序序列里,可以保证重链上的点都是连续的一段。

有一个性质,是树链剖分的精髓所在。任意一个节点 u u u到树根路径上最多有 O ( log ? n ) O(\log n) O(logn)条重链或者轻边。如果 u u u向上走的是一条轻边,那么说明 u u u是轻儿子,轻儿子为根的子树的节点个数不超过 u u u父亲子树的节点个数的一半,所以 u u u每次沿着轻边向上走一步, u u u子树的节点个数会至少翻倍,从而其最多只能向上走 O ( log ? n ) O(\log n) O(logn)条轻边。由于重链或者在轻边之间,或者在开始或结尾,所以重链数量也是 O ( log ? n ) O(\log n) O(logn)级别。所以由这个性质,任意一条树中的路径,都是若干轻边和重链的合并。

本题的算法如下:
1、先从树根开始做一次DFS,此次DFS记录每个节点的深度、父亲,并且求一下每个节点的子树大小,和其重儿子。
2、再从树根开始做第二次DFS,此次DFS要将树做重链分解(即对每个顶点按DFS先序重新编号),记录新编号下每个点的权值,以及每个点所在重链的头结点(即深度最小的节点)。DFS的时候要优先遍历重儿子。
3、重链分解做好之后得到的DFS序列中,重链就都成为了区间。从而对任意路径的操作,都转化为了对区间的操作,从而可以用线段树来维护。具体说来就是:
(1)将 u u u v v v的路径上所有节点权值增加 k k k:主要的思想是要找到它们的最近公共祖先。如果 u u u v v v不位于同一条重链上,那么比较一下它们所在的重链头结点,不妨设 u u u的重链头结点更深,那么说明最近公共祖先在 u u u重链头结点上方,从而可以直接将 u u u一直到其重链头结点这段区间整体加 k k k(在DFS序里重链就是一段区间,从而可以用线段树 O ( log ? n ) O(\log n) O(logn)时间内进行区间操作),然后将 u u u跳到重链头结点父亲处。接下来进行类似的操作,直到 u u u v v v爬到相同的重链上为止。这时候最近公共祖先就是 u u u v v v之一,再做最后一次区间操作即可。
(2)将 u u u子树每个节点权值增加 k k k。DFS序已经保证了子树一定是个区间了,并且树根一定是区间左端点,直接操作即可。
(3)询问 u u u v v v的路径和:同(1)
(4)询问 u u u子树的权值和:同(2)

代码如下:

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

const int N = 1e5 + 10, M = N * 2;
int n, m;
// w为节点权值
int h[N], w[N], e[M], ne[M], idx;
// id[x]为节点x的新编号,nw[x]是新编号为x的节点的权值
int id[N], nw[N], cnt;
// dep为深度,sz为子树大小,top[x]是x所在重链的头结点,
// fa[x]为x父亲,son[x]为x的重儿子
int dep[N], sz[N], top[N], fa[N], son[N];
struct Tree {
    int l, r;
    long sum, add;
} tr[N << 2];

void add(int a, int b) {
  e[idx] = b, ne[idx] = h[a], h[a] = idx++;
}

// 第一次dfs,求节点深度、父亲、子树大小和重儿子
void dfs1(int u, int from, int depth) {
  dep[u] = depth, fa[u] = from, sz[u] = 1;
  for (int i = h[u]; ~i; i = ne[i]) {
    int v = e[i];
    if (v == from) continue;
    dfs1(v, u, depth + 1);
    sz[u] += sz[v];
    if (sz[son[u]] < sz[v]) son[u] = v;
  }
}

// 第二次dfs,t为u重链头结点
void dfs2(int u, int t) {
  id[u] = ++cnt, nw[cnt] = w[u], top[u] = t;
  // 到叶子了,直接返回
  if (!son[u]) return;
  // 先遍历重儿子
  dfs2(son[u], t);
  // 遍历轻儿子
  for (int i = h[u]; ~i; i = ne[i]) {
    int v = e[i];
    if (v == fa[u] || v == son[u]) continue;
    dfs2(v, v);
  }
}

void pushup(int u) {
  tr[u].sum = tr[u << 1].sum + tr[u << 1 | 1].sum;
}

void pushdown(int u) {
  auto &root = tr[u], &left = tr[u << 1], &right = tr[u << 1 | 1];
  if (root.add) {
    left.sum += root.add * (left.r - left.l + 1);
    left.add += root.add;
    right.sum += root.add * (right.r - right.l + 1);
    right.add += root.add;
    root.add = 0;
  }
}

void build(int u, int l, int r) {
  tr[u] = {l, r, nw[l], 0};
  if (l == r) return;
  int mid = l + r >> 1;
  build(u << 1, l, mid), build(u << 1 | 1, mid + 1, r);
  pushup(u);
}

void update(int u, int l, int r, int k) {
  if (l <= tr[u].l && r >= tr[u].r) {
    tr[u].add += k;
    tr[u].sum += k * (tr[u].r - tr[u].l + 1);
    return;
  }
  pushdown(u);
  int mid = tr[u].l + tr[u].r >> 1;
  if (l <= mid) update(u << 1, l, r, k);
  if (r > mid) update(u << 1 | 1, l, r, k);
  pushup(u);
}

long query(int u, int l, int r) {
  if (l <= tr[u].l && tr[u].r <= r) return tr[u].sum;
  pushdown(u);
  int mid = tr[u].l + tr[u].r >> 1;
  long res = 0;
  if (l <= mid) res += query(u << 1, l, r);
  if (r > mid) res += query(u << 1 | 1, l, r);
  return res;
}

void update_path(int u, int v, int k) {
  while (top[u] != top[v]) {
    if (dep[top[u]] < dep[top[v]]) swap(u, v);
    // u的重链头更深,并且u重链头在dfs序里下标更小,直接更新u重链头到u这段区间
    update(1, id[top[u]], id[u], k);
    // u跳到重链头上面
    u = fa[top[u]];
  }
  if (dep[u] < dep[v]) swap(u, v);
  update(1, id[v], id[u], k);
}

long query_path(int u, int v) {
  long res = 0;
  while (top[u] != top[v]) {
    if (dep[top[u]] < dep[top[v]]) swap(u, v);
    res += query(1, id[top[u]], id[u]);
    u = fa[top[u]];
  }
  if (dep[u] < dep[v]) swap(u, v);
  res += query(1, id[v], id[u]);
  return res;
}

void update_tree(int u, int k) {
  update(1, id[u], id[u] + sz[u] - 1, k);
}

long query_tree(int u) {
  return query(1, id[u], id[u] + sz[u] - 1);
}

int main() {
  memset(h, -1, sizeof h);
  scanf("%d", &n);
  for (int i = 1; i <= n; i++) scanf("%d", &w[i]);
  for (int i = 1; i < n; i++) {
    int a, b;
    scanf("%d%d", &a, &b);
    add(a, b), add(b, a);
  }
  
  dfs1(1, 1, 0);
  dfs2(1, 1);
  
  build(1, 1, n);
  
  scanf("%d", &m);
  while (m--) {
    int t, u, v, k;
    scanf("%d%d", &t, &u);
    if (t == 1) {
      scanf("%d%d", &v, &k);
      update_path(u, v, k);
    } else if (t == 2) {
      scanf("%d", &k);
      update_tree(u, k);
    } else if (t == 3) {
      scanf("%d", &v);
      printf("%ld\n", query_path(u, v));
    } else printf("%ld\n", query_tree(u));
  }
}

预处理时间复杂度 O ( n ) O(n) O(n),每次询问时间 O ( log ? 2 n ) O(\log^2n) O(log2n),空间 O ( n ) O(n) O(n)

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加:2022-07-03 11:03:35  更:2022-07-03 11:05:12 
 
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