模板:后缀自动机(SAM)

本文深入探讨了后缀自动机(SAM)的概念及其构建方法,包括如何通过增量法逐步构建SAM,以及如何利用SAM求解子串出现次数等问题。同时介绍了通过反串构建SAM来获得后缀树的方法。

所谓后缀自动机,就是通过后缀建立的自动机

(逃)
请允许我先介绍一下后缀家族:
在这里插入图片描述
(又逃)

前言

OI生涯目前为止学习的最为难以理解的算法,没有之一。
到现在也没有完全的理解。
qwq

概念

定义:

后缀 iii :字符串 sssiii 结尾的后缀(前缀同理)
endpos(x)endpos(x)endpos(x) 字符串 xxxsss 中出现的结尾位置的集合
等价类:若 endpos(u)=endpos(v)endpos(u)=endpos(v)endpos(u)=endpos(v),我们就称 uuuvvv 属于同一个等价类

不难发现,对于 sss 的一个子串 x=sl...rx=s_{l...r}x=sl...r,都存在一个位置 p∈(l,r]p\in (l,r]p(l,r],满足对于 l≤i≤pl\le i\le plipxxx 的后缀 iii 都与 xxx 属于同一个等价类,而对于 p<i≤rp<i\le rp<ir,后缀 iiixxx 都不属于一个等价类。
我们称满足这个性质的 ppplink(x)link(x)link(x)

SAM是一个字符转移边组成的DAG,每条从根结点出发的路径都唯一对应 sss 的一个子串,在SAM中,每个结点都对应着一个等价类的集合(也就是从根结点到该结点的路径所代表的字符串的集合,这些字符串必然由一个最长的字符串和它的一些连续的后缀组成),一个结点的 linklinklink 定义为该结点对应的最长字符串的 linklinklink

请务必确保你理解了上面这段话

构建

现在考虑如何构建出SAM
使用增量法,当前加入一个新的字符串 ccc
设上一个加入的结点为 lstlstlst,当前加入结点为 curcurcur
设一个结点代表的最长字符串的长度为 lenlenlen

首先,令 len(cur)←len(lst)+1len(cur)\gets len(lst)+1len(cur)len(lst)+1
然后从 lstlstlst 沿着 linklinklink 不断往上跳,直到跳到某个有 ccc 的转移边或者跳到根为止,沿途把 ccc 的转移边全部赋值成 curcurcur

situation 1

若到根了还没有 ccc 的转移边:说明整个字符串还没有出现过 ccc,直接把 link(cur)link(cur)link(cur) 赋值成根即可

否则,设跳到了结点 ppppppccc 转移边为 qqq
由于一直跳的是

situation 2

len(q)=len(p)+1len(q)=len(p)+1len(q)=len(p)+1:这两个结点在原串上就是相邻的,直接令 link(cur)=link(q)link(cur)=link(q)link(cur)=link(q) 即可

situation 3

len(q)≠len(p)+1len(q)\ne len(p)+1len(q)=len(p)+1:这两个结点在原串上不是相邻的,此时若按照情况2的处理方法,会使SAM上出现不应该出现的前缀,所以我们应该分裂出一个结点 pppppp,继承所有 qqq 的信息,len(pp)←len(p)+1len(pp)\gets len(p)+1len(pp)len(p)+1,并把 qqqcurcurcurlinklinklink 全指向 pppppp,再一路往上把本来连向 qqq 的转移连向 pppppp

代码

void ins(int c){
  c-='a';
  int cur=++tot,p=lst;lst=tot;
  st[cur].len=st[p].len+1;siz[cur]=1;
  for(;p&&!st[p].tr[c];p=st[p].fa) st[p].tr[c]=cur;
  if(!st[p].tr[c]) st[cur].fa=1;
  else{
    int q=st[p].tr[c];
    if(st[q].len==st[p].len+1) st[cur].fa=q;
    else{
      int pp=++tot;st[pp]=st[q];
      st[pp].len=st[p].len+1;
      st[q].fa=st[cur].fa=pp;
      for(;p&&st[p].tr[c]==q;p=st[p].fa) st[p].tr[c]=pp;
      return;
    }
  }
}

应用

求 endpos 集合大小

定义 sizxsiz_xsizx 为结点 xxx 的等价类集合中 endposendposendpos 的数目。(也就是出现次数)
那么根据定义,有:
sizx=∑s∈sonxsizs+[x∈S]siz_x=\sum_{s\in son_x} siz_s+[x\in S]sizx=ssonxsizs+[xS]
其中 SSS 是每次插入的终点集合
dfs或者拓扑实现均可

int cnt[N],id[N];
void calc(){
  for(int i=1;i<=tot;i++) ++cnt[st[i].len];
  for(int i=1;i<=n;i++) cnt[i]+=cnt[i-1];
  for(int i=tot;i>=1;i--) id[cnt[st[i].len]--]=i;
  for(int i=tot;i>=1;i--) siz[st[id[i]].fa]+=siz[id[i]];
  return;
}

求本质不同子串数

就是在自动机上的走法种类呗。
那么就有:
sumx=∑s=trx,csums+1sum_x=\sum_{s=tr_{x,c}}sum_s+1sumx=s=trx,csums+1

Thanks for reading!

后缀树

本身也是一个大算法,但是可以通过反串建SAM偷懒。
复杂度为 O(nC)O(nC)O(nC)

解析

对反串建出后缀自动机,其 failfailfail 树即为所求的后缀树。
plxpl_xplx,为 xxx 节点对应的任意一个出现位置,那么 failx→xfail_x\to xfailxx 这条边上对应的字符串就是 s(plx+lenfailx,plx+lenx−1)s(pl_x+len_{fail_x},pl_x+len_x-1)s(plx+lenfailx,plx+lenx1)
结合 failfailfail 的定义应该不难得到。

后缀树的性质:

  1. 根到叶子的路径和所有后缀一一对应。
  2. 所有非根节点都至少有两个子节点。
  3. LCP(i,j)LCP(i,j)LCP(i,j) 就是两个位置对应节点 lca 的最长长度。

在解决字典序相关问题时较为常用。

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