洛谷P5904 树形dp,长链剖分优化

本文介绍了一种使用树形动态规划的方法来解决一个组合数学问题:在一棵树上选择三个点,使得这三个点之间的树上距离相等,并统计这种选择方式的数量。文章详细阐述了解决该问题的思路、状态定义、转移方程及实现细节。
题意:

给出一棵树,在树上选三个点,使得他们两两树上距离相等,问有多少种选法?

方法:

能成立的点对应该是如图这样的关系

在这里插入图片描述

选出的三个点是(x,y,z)(x,y,z)(x,y,z),他们由一个中转点TTT中转,使得XT=YT=ZT=kXT=YT=ZT=kXT=YT=ZT=k,即三个点分别从TTT的三棵子树中选取

但由于树的特性,至少有一支成为父亲,暴力枚举子树的时间复杂度是难以接受的

于是考虑树形dpdpdp,设f[u][i]f[u][i]f[u][i]代表在uuu的子树内距离uuuiii的点有多少个,g[u][i]g[u][i]g[u][i]代表在uuu的子树内,存在多少对二元组(x,y)(x,y)(x,y),令lcalcalcax,yx,yx,y的最近公共祖先,有dis(x,lca)=dis(y,lca)dis(x,lca)=dis(y,lca)dis(x,lca)=dis(y,lca)并且dis(u,lca)=dis(x,lca)−idis(u,lca)=dis(x,lca)-idis(u,lca)=dis(x,lca)i成立。

为什么这样考虑?可以发现这样设置ggg后,x,yx,yx,y被确定了,那么只需要去寻找zzz,而lcalcalca距离uuudis(x,lca)−idis(x,lca)-idis(x,lca)i,我们要找到另外子树的一个点zzz,使dis(z,lca)=dis(x,lca)dis(z,lca)=dis(x,lca)dis(z,lca)=dis(x,lca),那么只需要从uuu出发,找到另外子树的距离uuu长度为iii的点,即f[u][i]f[u][i]f[u][i]

不妨将g[u][i]g[u][i]g[u][i]解释为一个等价形式,意为在uuu的子树内,存在多少点对(x,y)(x,y)(x,y),使得其他子树内距离uuuiii的点都可以成为zzz

并且由于他们以深度为下标,那么可以考虑长链剖分来合并dpdpdp

转移方法:

ans+=g[u][0]+∑v∈sumug[v][i]∗f[u][i−1]+g[u][i+1]∗f[v][i] ans+=g[u][0]+\sum_{v\in sum_{u}} g[v][i]*f[u][i-1]+g[u][i+1]*f[v][i] ans+=g[u][0]+vsumug[v][i]f[u][i1]+g[u][i+1]f[v][i]

g[u][i−1]+=∑v∈sumug[v][i](1) g[u][i-1]+=\sum_{v\in sum_{u}} g[v][i] \tag{1} g[u][i1]+=vsumug[v][i](1)

g[u][i+1]+=f[v][i]∗f[u][i+1](2) g[u][i+1]+=f[v][i]*f[u][i+1]\tag{2} g[u][i+1]+=f[v][i]f[u][i+1](2)

f[u][i+1]=f[v][i] f[u][i+1]=f[v][i] f[u][i+1]=f[v][i]

以上的iii都是枚举vvv的长链长,因此j∈[0,max1[v]−1]j\in[0,max1[v]-1]j[0,max1[v]1]

ans:ans:ans:

答案的计算不妨考虑结果点zzz在哪里?如果恰好在uuu,那么答案即g[u][0]g[u][0]g[u][0],如果不在uuu,在另外的子树上,那么ans+=∑i=0max1[v]−1g[u][i]∗f[u][i]ans+=\sum_{i=0}^{max1[v]-1}g[u][i]*f[u][i]ans+=i=0max1[v]1g[u][i]f[u][i],如果在当前子树上,他也会被(x,y)(x,y)(x,y)在的子树比较小的时候归入不在那个时候的子树的情况,不需要重复计数。

g:g:g:

ggg的转移(1)(1)(1)可以理解为,到达了vvv还需要iii的长度才能到达zzz,那么在uuu还需要的长度自然−1-11,于是g[u][i−1]=g[v][i]g[u][i-1]=g[v][i]g[u][i1]=g[v][i]

转移(2)(2)(2),由于转移uuu的时候,所有以uuu的儿子为lcalcalca的情况都被添加到g[u]g[u]g[u]了,那么只需要考虑以uuulcalcalca的情况,此时如果uuulcalcalca,那么按照定义,dis(x,lca)−i=dis(lca,u)=0dis(x,lca)-i=dis(lca,u)=0dis(x,lca)i=dis(lca,u)=0,于是dis(x,lca)=dis(y,lca)=idis(x,lca)=dis(y,lca)=idis(x,lca)=dis(y,lca)=i,那么g[u][i]g[u][i]g[u][i]就是添加有多少点对(x,y)(x,y)(x,y),满足不在uuu的同一颗子树内,距离uuu距离都为iii的点,这样按照前缀和合并子树的思想就可以计算出来

转移顺序:

显然我们统计答案是用当前子树的答案和之前所有子树的答案计算,于是计算ansansans需要放在转移f,gf,gf,g之前,这是合并子树前缀和计算的思想。

转移式中计算ansansans是还需要加上g[u][0]g[u][0]g[u][0],这项必须在计算完长儿子后,统计短儿子前加入,如果在最后加入,那么g[u][0]g[u][0]g[u][0]包含了g[v][1]g[v][1]g[v][1]g[v][1]g[v][1]g[v][1]又包含了g[vv][2]g[vv][2]g[vv][2],而g[v][1]g[v][1]g[v][1]已经和f[u][1]f[u][1]f[u][1]计数了,所以不能在最后计数

指针分配内存:

按照转移式,fffg(1)g(1)g(1)是可以O(1)O(1)O(1)继承长儿子的,对gggg[son[u]][i]g[son[u]][i]g[son[u]][i]被写在g[u][i−1]g[u][i-1]g[u][i1]上,那么g[son[u]]=g[u]−1g[son[u]]=g[u]-1g[son[u]]=g[u]1

,同理f[son[u]]=f[u]+1f[son[u]]=f[u]+1f[son[u]]=f[u]+1,两个指针偏移方向不一样。一种解决方法是,只用一个数组供f,gf,gf,g一起填写,每次分配多一倍的空间,保证有足够空间可以写。先分配fff再分配ggg的顺序不能调换,除非被写数组的开始分配的点在末尾

        f[v]=pp; pp+=max1[v]<<1;
        g[v]=pp; pp+=max1[v]<<1;
总代码:
#include<bits/stdc++.h>
#define ll long long
using namespace std;

struct way
{
    int to,next;
}edge[200005];
int cntt,head[100005];

void add(int u,int v)
{
    edge[++cntt].to=v;
    edge[cntt].next=head[u];
    head[u]=cntt;
}

int n,max1[100005],son[100005],depth[100005];

void dfs1(int u,int fa)
{
    for(int i=head[u];i;i=edge[i].next)
    {
        int v=edge[i].to;
        if(v==fa) continue;
        dfs1(v,u);
        if(max1[v]>max1[son[u]]) son[u]=v;
    }
    max1[u]=max1[son[u]]+1;
}

ll ans=0,*f[200005],*g[200005],tmp1[400005],*pp=tmp1;

void dfs(int u,int fa)
{
    if(son[u])
    {
        f[son[u]]=f[u]+1;
        g[son[u]]=g[u]-1;
        dfs(son[u],u);
    }
    f[u][0]=1; ans+=g[u][0];
    for(int i=head[u];i;i=edge[i].next)
    {
        int v=edge[i].to;
        if(v==fa||v==son[u]) continue;
        f[v]=pp; pp+=max1[v]<<1;
        g[v]=pp; pp+=max1[v]<<1;
        dfs(v,u);
        for(int j=0;j<max1[v];j++)
        {
            ans+=f[v][j]*g[u][j+1];
            if(j) ans+=g[v][j]*f[u][j-1];
        }
        for(int j=0;j<max1[v];j++)
        {
            g[u][j+1]+=f[u][j+1]*f[v][j];
            if(j) g[u][j-1]+=g[v][j];
            f[u][j+1]+=f[v][j];
        }
    }
}

int main()
{
    cin>>n;
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        int u,v; scanf("%d%d",&u,&v);
        add(u,v); add(v,u);
    }
    dfs1(1,0);
    f[1]=pp; pp+=max1[1]<<1;
    g[1]=pp; pp+=max1[1]<<1;
    dfs(1,0);
    cout<<ans;
    return 0;
;
    g[1]=pp; pp+=max1[1]<<1;
    dfs(1,0);
    cout<<ans;
    return 0;
}
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