启发式合并学一学

文章讲述了如何在解决颜色平衡树问题时利用启发式合并策略,通过维护cnt数组记录颜色出现次数,重点在于如何优化计算过程,避免重复搜索和清空数组,最终达到nlogn的时间复杂度。

来自题解 CF600E 【Lomsat gelral】

先简单说一下启发式合并吧
这道题我们可以遍历整棵树,并用一个数组ap(appear)记录每种颜色出现几次
但是每做完一棵子树就需要清空ap,以免对其兄弟造成影响。
而这样做它的祖先时就要把它重新搜一遍,浪费时间
但是我们发现,对于每个节点v,最后一棵子树是不用清空的,因为做完那棵子树后可 以把其结果直接加入v的答案中。
选哪棵子树呢?当然是所含节点最多的一棵咯,我们称之为“重儿子”
其实感觉这样快不了多少……但是它竟然是nlogn的!

觉得这里对于启发式合并的思路讲得好


做一做模板题:洛谷 Lomsat gelral
整体思路就是用cnt数组记录子树中颜色出现的次数,但是计算完一棵子树需要清空,最后计算重儿子的子树不需要清空

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

typedef long long ll;
const int N = 100005;

int sz[N], big[N], col[N], cnt[N];//子树大小,重儿子,颜色,颜色出现的次数
ll ans[N]; 
vector<int> g[N]; 

ll ma, sum;

void dfs0(int x, int fa)//预处理,算出重儿子
{
	sz[x] = 1, big[x] = 0;
	for (auto y : g[x])
	{
		if (y == fa) continue;
		dfs0(y, x);
		if (sz[y] > sz[big[x]]) big[x] = y;
		sz[x] += sz[y];
	}
} 

void change(int x, int fa, int v, int nt)
//v = 1递归计算整颗子树(除了重儿子)的影响并更新ma和sum 
//v = -1消除子树对于cnt数组的影响 
//nt是不能走的点,即最初调用时的x的重儿子,不用的时候置0
{
	cnt[col[x]] += v;
	if (cnt[col[x]] > ma) ma = cnt[col[x]], sum = col[x];
	else if (cnt[col[x]] == ma) sum += col[x];
	for (auto y: g[x])
	{
		if (y == fa || y == nt) continue;
		change(y, x, v, nt);
	}
}
void dfs(int x, int fa, bool keep)
{
	for (auto y : g[x])//计算轻儿子的ans,并消除对cnt的影响 
	{
		if (y == fa || y == big[x]) continue;
		dfs(y, x, false);
	}
	if (big[x]) dfs(big[x], x, true);//计算重儿子的ans,保留对cnt的影响 
	//计算x的ans,不走重儿子,因为走过了并且保留了cnt 
	change(x, fa, 1, big[x]);
	ans[x] = sum;
	if (keep == false) //需要消除影响 
	{
		change(x, fa, -1, 0);//整颗子树都要消除,注意nt不能填big[x](错了两次了呜
		ma = sum = 0;//change完要置0,因为都要消除影响了,之后有需要重新计算的地方 
	}
}

int main()
{ 
	int n;
	cin >> n;
	for (int i = 1; i <= n; i++)
	{
		cin >> col[i];
	}
	for (int i = 1; i < n; i++)
	{
		int x, y;
		cin >> x >> y;
		g[x].push_back(y);
		g[y].push_back(x);
	}
	dfs0(1, 0);
//	for (int i = 1; i <= n; i++)
//		cout << big[i] << ' ';
	ma = sum = 0;
	dfs(1, 0, true);
	for (int i = 1; i <= n; i++)
		cout << ans[i] << ' ';
	
	return 0;
 } 

来到学启发式合并的初衷[蓝桥杯 2023 省 A] 颜色平衡树
就是加了一个桶来记录cnt的状况,以此来维护子树上的最大值和最小值,一棵子树最大值=最小值即是平衡的
(这种最值维护方法也是学到了,思路来自P9233
直接在上题的代码上改

#include <vector>
#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std;

typedef long long ll;
const int N = 200005;

int col[N], cnt[N], sz[N], big[N], t[N];//t是记录cnt[col]的桶,方便算最大值最小值 
vector<int> g[N];

void dfs0(int x, int fa)
{
	sz[x] = 1;
	big[x] = 0;
	for (auto y: g[x])
	{
		if (y == fa) continue;
		dfs0(y, x);
		sz[x] += sz[y];
		if (sz[y] > sz[big[x]]) big[x] = y;
	}
}

int ma, mi, res = 0;
void init()
{
	ma = 0, mi = N;
}
void change(int x, int fa, int v, int nt)
{
	//更新桶 
	t[cnt[col[x]]]--;
	cnt[col[x]] += v;
	t[cnt[col[x]]]++;
	//更新最大值最小值 
	if (cnt[col[x]] > ma) ma = cnt[col[x]];
	if (cnt[col[x]] < mi) mi = cnt[col[x]];
	if (t[ma] == 0) ma--;//cnt减的时候最大值可能退下来 
	if (t[mi] == 0) mi++;//cnt加的时候最小值可能涨 
	for (auto y : g[x])
	{
		if (y == fa || y == nt) continue;
		change(y, x, v, nt);
	}
}
void dfs(int x, int fa, bool keep)
{
	for (auto y : g[x])
	{
		if (y == fa || y == big[x]) continue;
		dfs(y, x, false);
	}
	if (big[x]) dfs(big[x], x, true);
	change(x, fa, 1, big[x]);
	if (ma == mi) res++; 
	if (keep == false)
	{
		change(x, fa, -1, 0);
		init();
	}
}

int main()
{
	int n;
	cin >> n;
	for (int i = 1; i <= n; i++)
	{
		int y;
		cin >> col[i] >> y;
		g[i].push_back(y);
		g[y].push_back(i);
	}
	dfs0(1, 0);
	init();
	dfs(1, 0, false);
	cout << res << endl;
	return 0;
}

先这样

<think>嗯,用户现在在算法竞赛,想要了解启发式合并,并且希望由浅入深地讲解,还要用C++的例子来说明。那我得先理清楚启发式合并的基本概念,然后逐步深入,最后给出代码示例。 首先,启发式合并是什么?可能用户之前过并查集,或者普通的合并方法,但遇到某些情况下效率不高的问题。启发式合并应该是种优化合并操作的方法,可能通过合并的顺序或方式,减少时间复杂度。比如在并查集中的按秩合并,可能就是启发式合并的应用。不过用户可能指的是更般的数据结构合并时的优化策略。 那启发式合并的核心思想应该是每次合并两个集合时,总是将较小的集合合并到较大的集合中,这样可以减少总的操作次数。比如,如果每次合并时都把小集合的元素移动到大集合里,那么每个元素被移动的次数不会超过logN次,因为每次移动后所在的集合大小至少翻倍。这样总的时间复杂度就能控制在O(N logN)级别。 接下来需要解释为什么这种方法有效。比如,假设有两个集合A和B,大小分别为|A|和|B|,且|A|<=|B|。那么将A合并到B中,这样A中的每个元素所在的集合大小至少是原来的两倍(因为B的大小比A大)。因此,每个元素最多被合并logN次,总操作次数就是O(N logN)。 接下来,可能需要举个具体的例子,比如合并链表或者树结构的时候使用启发式合并。或者是在处理并查集的时候,按大小合并的情况。用户可能需要具体的应用场景,比如并查集的优化,或者在处理某些数据结构(比如平衡树、链表)时的合并操作。 然后,需要用C++来举例说明。比如,可以用并查集的例子,或者用其他数据结构,比如集合的合并。例如,维护多个集合,每个集合用某种结构存储,合并的时候总是将小的合并到大的里面,这样可以减少时间。 比如,可以举个并查集的例子。并查集的按秩合并就是启发式合并种。在并查集的实现中,每个集合有个父节点,还有个秩(rank)或者大小。合并的时候,总是将秩较小的根指向秩较大的根。这样能保证树的高度较低,提高查找效率。这时候可以给出具体的代码示例,比如并查集的实现,包含路径压缩和按秩合并。 或者,举个更通用的例子,比如合并两个链表,或者合并两个平衡二叉搜索树的时候,如何合并顺序以减少时间复杂度。例如,合并两个集合的时候,总是遍历较小的集合,将其元素逐个插入到较大的集合中,这样总的时间复杂度较低。 比如,用C++中的std::set来举例。假设有多个set,每次合并两个set的时候,总是将较小的set中的元素插入到较大的set中。这样可以保证每个元素被插入的次数不超过logN次,因为每次插入后所在的集合大小至少翻倍。这样总的时间复杂度是O(N logN logM),其中M是元素的大小?或者可能更优? 例如,代码可能如下: void merge(set<int> &a, set<int> &b) { if (a.size() > b.size()) { swap(a, b); } for (auto x : a) { b.insert(x); } a.clear(); } 这样每次合并的时候,总是将较小的集合合并到较大的里面。这样每个元素被插入的次数是logN次,每次插入的时间复杂度是O(logM),所以总的时间复杂度是O(N logN logM)。不过这可能适用于元素可排序的情况,比如使用平衡树结构的集合。 另个例子是并查集的实现,其中按秩合并启发式合并种应用。例如: class DSU { vector<int> parent; vector<int> size; public: DSU(int n) { parent.resize(n); size.resize(n, 1); for (int i=0; i<n; ++i) parent[i] = i; } int find(int x) { if (parent[x] != x) parent[x] = find(parent[x]); return parent[x]; } void unite(int x, int y) { x = find(x); y = find(y); if (x == y) return; if (size[x] < size[y]) swap(x, y); parent[y] = x; size[x] += size[y]; } }; 这里,unite函数中总是将较小的集合合并到较大的集合里。这里的大小指的是集合的元素个数。这样可以保证树的高度较低,从而find操作的时间复杂度几乎是常数。 但用户可能想了解的不仅仅是并查集中的情况,而是更广泛的启发式合并应用。比如在处理某些数据结构时,比如链表、数组或者树结构的合并,如何利用启发式合并来优化。 比如,在解决某些问题时,比如动态连接问题,或者离线查询处理,可能需要多次合并不同的数据结构,这时候使用启发式合并可以显著减少时间。 另个例子是,在树上处理子树问题的时候,比如每个节点维护个颜色的集合,当处理子树时,将子节点的集合合并到父节点。这时候如果采用启发式合并,每次将较小的子树集合合并到较大的,可以降低总的时间复杂度。 例如,解决树上每个节点的颜色数量问题。每个节点有个颜色集合,初始时只有自己的颜色。然后从叶子节点向上合并,每个父节点收集所有子节点的颜色集合。这时候,如果每次合并时将较小的集合合并到较大的集合,就能有效减少总操作次数。 这时候可以用C++中的unordered_set来举例: void dfs(int node, int parent, vector<unordered_set<int>> &colors) { for (auto child : children[node]) { if (child != parent) { dfs(child, node, colors); // 合并子节点的colors到当前节点 if (colors[node].size() < colors[child].size()) { swap(colors[node], colors[child]); // 保证node的集合较大 } for (int color : colors[child]) { colors[node].insert(color); } colors[child].clear(); // 可,释放内存 } } } 这样,每个节点的合并操作都是将较小的集合合并到较大的,从而减少总的插入次数。每个颜色被插入的次数最多是logN次,所以总时间复杂度是O(N logN)。 总结下,启发式合并的关键点在于每次合并时,总是将较小的结构合并到较大的结构中,这样每个元素被处理的次数减少,从而降低总的时间复杂度。应用场景包括并查集、树上的子树问题、集合合并等。代码示例可以根据不同的应用场景来展示,比如并查集、颜色集合的合并等。 现在需要考虑用户的习阶段。用户可能在算法竞赛中遇到需要高效合并的问题,比如某些题目需要处理大量合并操作,而普通的暴力合并会导致超时。这时候启发式合并就能派上用场。例如,Codeforces或ACM竞赛中的某些题目,可能需要处理子树信息合并,这时候启发式合并可以优化时间复杂度。 可能用户的问题点在于理解为什么这样合并能优化时间,或者如何在实际问题中应用。因此,在讲解时,需要强调时间复杂度分析,以及具体例子中的操作步骤。 可能还需要比较暴力合并启发式合并的时间复杂度差异。例如,如果每次合并都是简单地将个集合的所有元素插入另个,那么最坏情况下,每次合并都是O(n)时间,总的时间复杂度可能是O(n²)。而使用启发式合并后,总的时间复杂度降低到O(n logn)。 最后,C++的例子需要具体且易于理解。可能用户对STL比较熟悉,所以使用std::set或unordered_set的例子会更直观。或者使用并查集的例子,因为并查集是算法竞赛中的常见结构。 综上所述,我的回答结构应该是: 1. 定义启发式合并:将较小的集合合并到较大的集合,减少操作次数。 2. 解释原理:每个元素被移动的次数最多logN次,总复杂度O(N logN)。 3. 应用场景:并查集按秩合并、子树信息合并、集合合并等。 4. C++示例: a. 并查集的实现(按大小合并)。 b. 树上颜色统计问题的启发式合并。 5. 分析时间复杂度和优势。</think>好的!我将由浅入深为你讲解启发式合并(Heuristic Merge),并用 C++ 举例说明其实现。 --- ### **、基础概念** **启发式合并** 是种优化合并操作的策略,核心思想是:**每次合并两个集合时,总是将较小的集合合并到较大的集合中**。这样能减少重复操作次数,从而降低整体时间复杂度。 #### **为什么需要它?** 假设直接合并两个大小为 `n` 和 `m` 的集合(`n < m`),若将大的合并到小的,后续操作可能需要频繁处理更大的集合。而将小的合并到大的,后续操作会更高效。 --- ### **二、时间复杂度分析** - **普通合并**:最坏情况每次合并都需要 `O(n)` 时间,合并 `n` 次的总时间为 `O(n²)`。 - **启发式合并**:每个元素最多被合并 `O(log n)` 次(因为每次合并后集合大小至少翻倍),总时间优化为 `O(n log n)`。 --- ### **三、应用场景** 1. **并查集(按秩合并)** 2. **树上的子树信息合并**(如统计子树颜色) 3. **集合合并问题**(如动态维护多个集合) --- ### **四、C++ 代码示例** #### **1. 并查集的启发式合并(按大小合并)** ```cpp class DSU { vector<int> parent; vector<int> size; public: DSU(int n) { parent.resize(n); size.resize(n, 1); for (int i = 0; i < n; i++) parent[i] = i; } int find(int x) { if (parent[x] != x) parent[x] = find(parent[x]); // 路径压缩 return parent[x]; } void unite(int x, int y) { x = find(x), y = find(y); if (x == y) return; // 启发式合并:小集合合并到大集合 if (size[x] < size[y]) swap(x, y); parent[y] = x; size[x] += size[y]; } }; ``` #### **2. 树上统计子树颜色(启发式合并应用)** 假设树节点有颜色,求每个节点的子树中颜色种类数: ```cpp #include <vector> #include <unordered_set> using namespace std; void dfs(int u, int parent, vector<vector<int>>& tree, vector<unordered_set<int>>& subtreeColors, vector<int>& color) { subtreeColors[u].insert(color[u]); // 当前节点的颜色 for (int v : tree[u]) { if (v == parent) continue; dfs(v, u, tree, subtreeColors, color); // 启发式合并:将小子树合并到大子树 if (subtreeColors[u].size() < subtreeColors[v].size()) { swap(subtreeColors[u], subtreeColors[v]); } // 合并子树颜色 for (int c : subtreeColors[v]) { subtreeColors[u].insert(c); } subtreeColors[v].clear(); // 可,释放内存 } // 此时 subtreeColors[u] 包含子树所有颜色 } int main() { int n = 100; // 节点数 vector<vector<int>> tree(n); vector<int> color(n); vector<unordered_set<int>> subtreeColors(n); // 假设 tree 和 color 已初始化 dfs(0, -1, tree, subtreeColors, color); return 0; } ``` --- ### **五、关键点总结** 1. **合并方向**:总是小集合合并到大集合。 2. **复杂度保证**:每个元素最多被合并 `O(log n)` 次。 3. **实现技巧**:使用 `swap` 确保操作对象始终是小集合。 4. **适用问题**:需要频繁合并的场景(如并查集、树上统计)。 --- ### **六、习题推荐** 1. [Codeforces 600E - Lomsat gelral](https://codeforces.com/problemset/problem/600/E)(经典启发式合并应用题) 2. 并查集相关题目(如动态连通性问题) 希望这些内容能帮助你掌握启发式合并!如果有更多问题,欢迎继续提问~ 😊
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