线段树与树链剖分

【前置知识】

运算律，单位元。

运算律基本就是交换律、结合律、分配律。

单位元：

假设我们现在有一个运算 $⨁$。

如果 $a⨁b=b⨁a=a$，称 $b$ 是运算 $⨁$ 的单位元。

【线段树】

线段树是一个树形数据结构。

1. 满二叉树；

2. 倍增的思想，分治的手法；

3. 点/区间进行查询/修改；

4. 常考，码量大。

【线段树的设计】

为了满足线段树满二叉树的定义，我们先把数组补成 2的幂 个。

补充的数肯定不能影响我们的计算，于是我们把它们设成单位元。

记 $n$ 为补充后的元素个数。

我们让这 $n$ 个元素组成线段树的叶结点们。

递归建立线段树：

1. 如果当前节点就是叶结点，用给好的元素组成；

2. 否则递归建立左右子结点，然后用子结点的属性更新自身。

根结点代表区间 $[1,n+1)$。

凡是有子结点的结点，设其代表区间 $[l,r)$，$m=\frac{(l+r)}{2}$，则其左儿子代表区间 $[l,m)$，右儿子代表区间 $[m,r)$。

注意：线段树有 $2n-1$ 个结点，而一开始可能补了一倍，再翻倍，说明线段树最多会开出四倍的空间。

【单点查询】

不妨我们现在查询 $p$ 号元素的属性。

递归查询：

1. 如果当前节点是叶子结点，返回当前节点的属性；

2. 否则设当前节点代表区间 $[l,r)$，$m=\frac{(l+r)}{2}$，如果 $p<m$，那么递归进入左子结点查询；否则进入右子结点。

复杂度：显然每次区间长度除以 2，$O(\log n)$。

【单点修改】

与单点查询差别不大。

1. 如果当前节点是叶子结点，返回当前节点的属性；

2. 否则设当前节点代表区间 $[l,r)$，$m=\frac{(l+r)}{2}$，如果 $p<m$，那么递归进入左子结点查询；否则进入右子结点。

3. 递归结束之后，重新更新当前节点的属性。

注意最后要重新更新。

复杂度：同上，也是 $O(\log n)$。

【区间查询】

设我们要查询区间 $[l,r)$。

1. 如果当前结点代表的区间完全被 $[l,r)$ 包含，直接返回当前节点的属性；

2. 如果当前节点代表的区间与 $[l,r)$ 完全无交，直接返回单位元；

3. 否则递归查询左右儿子的答案，然后合并左右儿子的答案并返回。

复杂度：还是 $O(\log n)$。

注意到一个性质：

一个区间，只有包含左右端点的结点可能递归。

那么每层递归的区间个数最多两个。

也就是说我们最多需要处理四个。

递归到叶结点，也只是 $O(\log n)$，省略 4 的常数，整体复杂度还是 $O(\log n)$。

到这里，看做题总结的【无区间修改】部分。

【区间修改】

树状数组也可以做到区间查询、单点修改，但是以上都没有做到。

现在，我们来讲一讲线段树的精华—— lazy tag。

【lazy tag】

先说一说想法。

区间查询的瓶颈在于，我们需要深入到每个叶结点进行修改。

于是，我们决定不要修改所有叶结点，而是把修改的信息记录下来，等到需要的时候再拿出来用。

于是，lazy tag 就诞生了。

lazy tag，又称懒标记，延迟标记。

每个结点上都有一个 lazy tag，记录着节点代表区间的修改信息。

比如，我现在有一个 8个元素的数组。

现在，我想把 $[1,5)$ 加 4，我就只把 $[1,5)$ 对应结点的 lazy tag 加上 4，并且把该节点的和也加上 4 × 4。

很显然，如果我要修改 $[2,6)$ 的话，就没有现成的结点了。

因此我们有了一个修改的思路：

1. 如果当前区间完全被修改区间包含，直接在本结点上更新标记；

2. 如果当前区间与修改区间完全无交，直接返回；

3. 否则递归给左右儿子修改，并且改完之后用左右儿子的属性更新本身。

而查询，我们也顺水推舟：

单点：

1. 如果当前结点是叶结点，返回当前结点的值加 tag；

2. 哪边有要查询的去哪；

3. 返回的时候返回 子结点返回的结果+本结点的tag。

区间：

1. 如果当前区间被完全包含，直接返回当前节点的属性；

2. 如果完全无交，返回单位元；

3. 递归查询左右儿子，并应用本结点的tag。

【pushdown】

但是，我们发现，如果按上面的方法做，可能会出一些问题。

比如赋值运算，新来的修改可能比老修改更靠下，这样在一路应用回去的时候就会被覆盖。

本质在于赋值运算不满足交换律。

于是我们想了一个办法：只要新来的修改到达一个结点，立刻把这个结点的标记分发给左右儿子，直到新修改完毕。

这样操作我们就可以把交换律的问题解决。

去看【有区间修改】

【总结】

三个律：结合律，交换律，分配律。

三个运算：val+val，val×tag，tag×tag。

val + val：结合律。（小区间拼成大区间）

tag × tag：结合律。（val*tag1*tag2=val*(tag1*tag2)）

pushdown：为了解决修改不符合交换律的问题。

区间修改：需要满足修改运算对查询运算的分配律，不然小区间拼成大区间，直接 ×tag 没有分配律会出错。

应对措施：

如果没有 val+val 的结合律，区间查询就变成单点查询，再求和。

如果没有 tag×tag 的结合律，在每个结点上记录一个 tag 数组。

如果没有交换律，pushdown。

如果没有分配律，区间修改就变成单点修改。

【树链剖分】

分块思想：把整体分成一个个小块，这样我们每次处理的时候就可以整体处理。

我们考虑把整个树剖分成若干条链。

定义：

一个结点的子结点中，子树规模最大的子结点，称为该节点的“重子”，其余的称为“轻子”，叶结点的重子是本身。

显然一个结点恰有一个重子。

记录重子，我们可以在每个结点的 vector 上通过 swap 把重子换到 0 号位置。

从一个结点通向其重子的边称为重边。

若干条连续重边连起来，就成了链。

树就被剖分成若干条链。

在每个节点上，记录 $top$，表示当前节点所在链的链顶。

显然这是一个自上而下传递的属性。

因此我们需要两边搜索，第一次找重子，第二次找 top。

【树链剖分找LCA】

显然当两个结点在同一条链上时，它们的 LCA 是较高的那个点。

所以：当两个结点的 top 相等，返回较高的那个。

否则：因为只有两个结点在同一条链上时，才有可能一个是另一个的 LCA，于是我们可以让链顶较深的结点 $x$ 跳到 $p[top[x]]$，这样 $x$ 就到了另一条链上。

循环往复，一定会到同一条链上。

【先重子深搜序】

我们深搜时优先走重子，得到了先重子深搜序。

记录 $dfn$ 和 $rev$，分别记录结点在先重子深搜序中的位置，和先重子深搜序中的位置对应的结点。

我们发现，一棵子树和一条树链，在深搜序中是连续的。

因此我们可以用线段树维护。

比如我们要把一条路径 $(u,v)$ 上的结点权值都+1。

按照上面找LCA的方法，只是在跳到链顶的时候利用线段树和 $rev$ 数组把 当前节点 到 当前节点链顶 的这一段 进行区间修改。

注意：同链比自身深度，异链比链顶深度。左闭右开

复杂度分析：子树是一个区间，复杂度贡献 $O(\log )$；如果要处理链，最多有 $O(\log n)$ 个区间，因为每作为一次轻儿子，节点个数至少两倍。所以链贡献复杂度 $O({\log }^{2}n)$。