树链剖分求LCA[模板] 超详细解释 + 代码

本文详细介绍了树链剖分的基本概念、原理及其实现过程。通过两次深度优先搜索(DFS),构建重链,并利用这些信息高效地查询最近公共祖先。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

 

 

(题外话)

虽然LCA最快不是树链剖分 但由于想学 于是刻苦钻♂研了下

由于网上那些都是零零碎碎(这不是我的超链接)的 自己通过东拼西凑(这也不是)加理解终于懂了

然后以自己的理解再复述一遍~可谓是倾囊以授啦~

(正篇)

有关树链剖分的概念戳进这一篇~

原理具体解释于程序中~

模板在这里呐 戳进去即可

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdio>
using namespace std;
const int MAX=500005;
struct Edge //邻接表
{
	int to,next;
}edge[MAX << 1];


int fa[MAX],     top[MAX],   deep[MAX], size[MAX],      son[MAX];
  //该点的父亲 点所在链顶点   点深度值  点子树节点个数 点的重儿子 (分别对应)
int first[MAX],tot;
void add(int i,int j)
{ //邻接表存无向图~
	edge[++tot].to = j;
	edge[tot].next = first[i];
	first[i] = tot;
}


void dfs1(int p) //p 当前节点
{ //第一次dfs,用以求出所有节点的父亲节点 & 深度 & 子节点个数 & 重节点
	size[p] = 1; //p子节点数量初始化 把自己算进去 因为到最后一层的时候用来返回 才能让其父亲得到准确的子节点个数
	deep[p] = deep[fa[p]]+1; //定义p点深度(其父亲+1)
	  for (int a = first[p]; a; a = edge[a].next)
	  { //遍历与p点相连的所有节点
	  	int b = edge[a].to; //p通过与其相连的某一条边所到的点(懒得打于是用一个变量代替)
	  	  if (b == fa[p]) continue; //如果不小心连到了p的父亲节点 不处理 继续下一个点
	  	fa[b] = p; //在要dfs前确定下个节点的父亲节点 如果放外面内存要翻上几番
		dfs1(b);
		size[p]+=size[b]; //统计当前节点的子节点个数
	  	  if (size[b] > size[son[p]]/* || !son[p](可省略 因为前一条已经包括了)*/) son[p] = b;
	  } //(上一行)如果 p的子节点b的子节点  大于  p的原来的重儿子 || 没有设置过重节点(可省略 见下行解释)
}           //因为没有设置时son[p]为0 size[0]初始定义为0 size[b]由于深搜出来肯定大于0 故


void dfs2(int p,int father) //p 当前节点 father 当前节点所在链的起点
{ //第二次dfs求出每个节点所在链的起点(见后面)
	top[p] = father; //将当前节点的链起点记作father
	  if (!son[p]) return; //如果p是当前重链的链尾了则跳出去 接到上一层循环里
	dfs2(son[p],father); //将同一重链上的点的起点father记好
	  for (int a = first[p]; a; a = edge[a].next)
	  { //遍历与p点相连的所有节点
	  	int b = edge[a].to; //p通过与其相连的某一条边所到的点(懒得打于是也用同一个变量代替)
	  	//(下行)如果b不是p的重子节点 & 不是p的父亲节点 则把其顶点设为自己 递归新的重链
	  	  if (b != son[p] && b != fa[p]) dfs2(b,b);
	  }    //(上行补充)新的重链就是在找到轻链以后从它的顶点继续找下去 一定全都能搜到
}


int main()
{
	int n,m,g,i,j;
	scanf("%d%d%d",&n,&m,&g);
	  for (int a = 1; a < n; a++)
	  { //此处输入连接两节点的边 邻接表存无向图 此处不用邻接多重表
	  	scanf("%d%d",&i,&j);
	  	add(i,j);
		add(j,i); //重点
	  }
	dfs1(g);    //第一次深搜
	dfs2(g,g); //第二次深搜
	  for (int a = 1; a <= m; a++)
	  { //此处查询 i 和 j 的 最近公共祖先
	  	scanf("%d%d",&i,&j);
	  	  while (top[i] != top[j]) //如果 i 和 j 各自链的起点不同 则
	  	  { //判断 i 和 j 各自链的起点深度 深度不同时先修改深的
	  	    if (deep[top[i]] < deep[top[j]]) j = fa[top[j]];
	  	    else i = fa[top[i]]; //把要修改的节点的顶点接到该点父亲节点的顶点上(可能意思不太对)
	  	  } //一次只能修改一个 不然两个一起修改两点可能擦肩而过
	  	  if (deep[i] > deep[j]) printf("%d\n",j);
	  	  else printf("%d\n",i);
	  } //两点此时都在同一链上 此时因为是找最近公共祖先 就把深度较小的点输出
	return 0; //(上行解释) 因为深度较大的点还要向上 才能和深度较小的点相遇
}

 

大概就是这样子啦 OvO

 

过模板题用了1344ms 还是比较慢的=-=

然后乱加优化

#define r register
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdio>
using namespace std;
const int MAX=1 << 19;
struct Edge
{
	int to,next;
}edge[MAX << 1];
int fa[MAX],top[MAX],deep[MAX],size[MAX],son[MAX],first[MAX],tot;
inline void read(int &x)
{
    char q = getchar();x = 0;
    	while (q < '0' || q > '9') q = getchar();
    	while (q <= '9' && q >= '0')
	x = (x << 1) + (x << 3) + q - (3 << 4), q = getchar();
}
void writeln(int x)  
{
    tot = 0; char q[8];
    	while (x) q[++tot] = (x%10) + (3 << 4), x /= 10;
    	while (tot) putchar(q[tot--]);
    putchar('\n'); 
}
void add(r int x,r int y)
{
    edge[++tot].to = y;
    edge[tot].next = first[x];
    first[x] = tot;
}
void dfs1(int p)
{
    ++size[p];deep[p] = deep[fa[p]]+1;
    	for (r int a = first[p]; a; a = edge[a].next)
    	{
      		r int b = edge[a].to;
      		if (b == fa[p]) continue;
      		fa[b] = p;dfs1(b);size[p]+=size[b];
      		if (size[b] > size[son[p]]) son[p] = b;
    	}
}
void dfs2(int p,int father)
{
    top[p] = father;
    	if (son[p]) dfs2(son[p],father);
    	for (r int a = first[p]; a; a = edge[a].next)
    	{
    		r int b = edge[a].to;
    		if (b != son[p] && b != fa[p]) dfs2(b,b);
    	}
}
int main()
{
    r int i,j,m;
    int n,g;
    read(n);read(m);read(g);
    	for (r int a = 1; a < n; a++)
    	{
    		read(i);read(j);
    		add(i,j);add(j,i);
    	}
    dfs1(g);
    dfs2(g,g);
      while (m--)
      {
      	read(i);read(j);
      		while (top[i] != top[j])
				if (deep[top[i]] < deep[top[j]]) j = fa[top[j]];
      			else i = fa[top[i]];
      		if (deep[i] > deep[j]) writeln(j);
      		else writeln(i);
      }
    return 0;
}

1140ms =-=

<think>好的,我现在要介绍一下重链剖分的模板。首先,我需要回忆一下重链剖分的基本概念和应用场景。重链剖分(Heavy-Light Decomposition,HLD)是一种将结构分解成多条链的技术,常用于解决上的路径查询问题,比如最近公共祖先LCA)、路径上的最大值或区间和等。这种分解方通过将分割成重链和轻边,使得可以在这些链上使用线段状数组等数据结构进行高效操作。 接下来,用户需要的是一个模板的介绍,可能包括实现步骤和代码结构。首先,我应该考虑重链剖分的几个关键步骤: 1. **第一次DFS**:计算每个节点的子大小(size),并确定每个节点的重儿子(即子最大的子节点)。 2. **第二次DFS**:根据重儿子进行优先遍历,为每个节点分配所在链的顶部(top),并处理DFS序(dfn),以便后续数据结构处理。 3. **数据结构构建**:通常使用线段状数组维护每个链上的信息,比如区间查询或更新。 然后,我需要考虑如何将这些步骤转化为代码。首先,定义必要的数组,比如父节点数组(fa)、深度数组(dep)、子大小数组(siz)、重儿子数组(hson)、链顶数组(top)、DFS序数组(dfn)等。然后,第一次DFS遍历,计算siz和hson。第二次DFS分配top和dfn。最后,构建线段。 在实现过程中,需要注意一些细节,例如DFS的顺序,如何判断重儿子,以及如何处理不同链之间的跳转。例如,在查询两个节点之间的路径时,需要不断将较深的节点沿着链向上跳,直到两个节点处于同一链上,然后处理剩余部分。 可能还需要考虑线段或其他数据结构的实现,如何将dfn序映射到线段的索引,以及如何处理区间操作。例如,路径上的最大值可能需要线段维护区间最大值,而更新操作则对应线段的单点修改。 另外,要注意边界情况,比如叶子节点的处理,或者当两个节点已经处于同一链时的处理。此外,时间复杂度方面,重链剖分可以将上的路径查询分解为O(log n)条链的查询,从而保证每次操作的时间复杂度为O(log n)乘以数据结构操作的时间。 现在,我需要将这些步骤结构化,形成一个模板的框架,用代码示例来说明。可能需要用C++或Python作为示例语言,但用户可能需要中文解释。考虑到算竞赛中常用C++,但用户可能也需要其他语言的参考,但通常模板以C++为主。 最后,需要验证这个模板的正确性,比如通过举例说明如何处理LCA或路径查询。例如,在查询两个节点u和v的LCA时,通过比较它们的top,不断将较深的节点上移,直到找到共同的链顶,最终找到LCA。 总结来说,重链剖分模板的实现步骤包括两次DFS预处理,数据结构构建,以及查询时的链跳跃操作。在代码中需要处理数组的初始化和更新,以及数据结构的具体实现。需要确保各个部分之间的正确衔接,比如dfn序的正确分配和线段的正确映射。</think>重链剖分(Heavy-Light Decomposition, HLD)是一种将结构分解为多条链的算,常用于高效处理上路径查询(如区间和、最大值、LCA 等)。以下是其核心实现步骤和模板代码: --- ### **一、核心思想** 1. **重儿子**:每个节点的子节点中,子大小最大的子节点。 2. **重链**:由重儿子连接形成的链,其余边为轻边。 3. **分解目标**:将分解为若干重链,使得任意节点到根的路径上经过的链数为 $O(\log n)$。 --- ### **二、实现步骤** #### **1. 预处理(两次DFS)** - **第一次DFS**:计算子大小 `siz`,标记重儿子 `hson`。 $$ \text{siz}[u] = 1 + \sum_{v \in \text{children}(u)} \text{siz}[v] $$ - **第二次DFS**:分配DFS序 `dfn`,标记链顶 `top`,优先遍历重儿子。 #### **2. 数据结构** 用线段/状数组维护 `dfn` 序列上的区间操作。 --- ### **三、代码模板(C++)** ```cpp #include <vector> using namespace std; const int N = 1e5 + 10; vector<int> g[N]; // 邻接表 int fa[N], dep[N], siz[N], hson[N]; // 父节点、深度、子大小、重儿子 int top[N], dfn[N], rnk[N], cnt=0; // 链顶、DFS序、映射、计数器 // 第一次DFS:计算siz和hson void dfs1(int u, int f) { fa[u] = f; dep[u] = dep[f] + 1; siz[u] = 1; hson[u] = -1; int max_size = 0; for (int v : g[u]) { if (v == f) continue; dfs1(v, u); siz[u] += siz[v]; if (siz[v] > max_size) { max_size = siz[v]; hson[u] = v; } } } // 第二次DFS:分配dfn和top void dfs2(int u, int t) { top[u] = t; dfn[u] = ++cnt; rnk[cnt] = u; // 线段中的位置 if (hson[u] == -1) return; dfs2(hson[u], t); // 优先处理重儿子 for (int v : g[u]) { if (v == fa[u] || v == hson[u]) continue; dfs2(v, v); // 轻儿子作为新链的起点 } } // 初始化入口 void init(int root) { dfs1(root, 0); dfs2(root, root); // 此处初始化线段(根据rnk数组) } // 查询u和v的LCA int lca(int u, int v) { while (top[u] != top[v]) { if (dep[top[u]] < dep[top[v]]) swap(u, v); u = fa[top[u]]; } return dep[u] < dep[v] ? u : v; } // 路径查询示例:u到v的最大值(需结合线段) int query_path(int u, int v) { int res = -INF; while (top[u] != top[v]) { if (dep[top[u]] < dep[top[v]]) swap(u, v); res = max(res, query_segment(dfn[top[u]], dfn[u])); // 查询链 u = fa[top[u]]; } if (dep[u] > dep[v]) swap(u, v); res = max(res, query_segment(dfn[u], dfn[v])); // 最后一条链 return res; } ``` --- ### **四、关键操作** 1. **初始化**:调用 `init(root)`。 2. **LCA查询**:直接调用 `lca(u, v)`。 3. **路径查询**:结合线段,分段查询每条链。 --- ### **五、复杂度分析** - **时间复杂度**:预处理 $O(n)$,每次路径操作 $O(\log n)$。 - **空间复杂度**:$O(n)$。 --- ### **六、应用场景** 1. 链修改/查询(区间和、最值)。 2. 最近公共祖先LCA)。 3. 子操作(利用DFS序的连续性)。
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