倍增算法
倍增算法
【序言】
我认为吧,所有能够优化复杂度的算法都是神奇的,所有能够化繁琐为形象的文字都是伟大的。一直觉得倍增算法是个很神奇的东西,所以决定写点东西纪念一下它。但是作为一个非常不称职的OIER,我非常讨厌在看别人的算法解析时整版的i,j,k等我看到鼠标就惯性移到右上角的符号语言,所以我想用最形象的方式来纪念它。
【一】
从前,有一只可爱得不得了的小白兔,它想从A地去往遥远的B地。
2B小白兔:
向右边跳一步,左边跳一步,再向右边跳很多步,再……(对不起,这个太脑残了)
普通小白兔:
向右边跳一步,再跳一步,再跳一步……再跳一步,哇,到了!好开心!
超级小白兔:
向右边跳一大步,一步跳到B,然后默默回头,鄙视一下那只一步一步跳的小白兔。
我相信作为一个正常人,是不会考虑到2B小白兔的这种做法的,因为它太脑残了。
同时我也相信,作为一个正常人,也不会考虑到超级小白兔的这种做法的,因为……
“我擦!你什么时候说可以这样跳了!(愤怒)”
“我什么时候说不可以了!(卖萌)”
但是你不得不承认,超级小白兔还是有两把刷子的,因为它真的是太厉害了,厉害得你想都没有想到。
【二】
从前,有一只可爱得不得了的小白兔,它想从A地去往遥远的B、C、D、E、F这几个让它魂牵梦萦的地方。(不要问我从哪里来,我的梦想在远方)
2B小白兔:
(对不起,我的生命有限,我不想再提到它了)
普通小白兔:
一步又一步,生命不息,跳跃不止。
超级小白兔:
一步到B,再一步到C,再一步到D,再一步到E,再一步到F,完工。
你不用解释,我深知你就想当那只超级小白兔,哼,你肯定是那样跳的。(神马?不是?兄弟你的智商我救不了了……)
是的,不这样跳的人对不起社会啊,浪费时间就是浪费青春,浪费青春就是犯罪。
好的,既然你是这样跳的,那你能告诉我你是怎么知道从A只要跳2个格子就会刚好到B的?难道你在空中使用了GPRS全球卫星定位系统?你少来好么!主页君现在都没用过这种东西,你一只白白嫩嫩下酒菜的小兔子还用这个?笑死我吗?哈哈,你一定是出发前就偷偷学普通兔子一步一步跳过一遍,然后拿个本子做小抄,记录好从每个格子跳任意步会到达的地方,然后赶在天亮之前回来,风光的按照踩点计划大步的跳,让我们觉得你很厉害的样子,我没说错吧?不过看在你有这个诚心的份上,还是为你的聪明鼓掌吧。
【三】
从前,有一只可爱得不得了的小白兔,它想从A地去往遥远的1(此处省略很多0)个地方,因为它真的是太没事情做了。
普通小白兔:
从离开家门的那天起,我就没有想过要放弃一步一步地跳往终点。(嗯,加油)
超级小白兔:
轻轻松松,绝不多走一步。(哼哼)
你想知道最后的结果吗?呵呵,好像还没有出结果……
写给普通小白兔的话:
亲爱的小白兔,我知道你勇毅,你质朴,但是,苦海无涯,回头是岸。
写给超级小白兔的话:
我不知道你的小抄本是否还够用,我不知道你摸着黑就出门是为了什么,你不觉得你的行踪早就已经暴露了吗?你以为你很聪明吗?不,你错了,你就一下酒菜,永远都是,因为你不知道倍增算法,这是你失败的根源,再见,我心中永远不会逝去的蠢兔子。
---------------------------------------------------------------------------------------------- 卖萌分割线 ----------------------------------------------------------------------------------------------------
普通兔子 = 速度慢,无资源损耗 || 超级兔子 = 速度快,多资源损耗
还记得那只离我们远去的2B兔子吗?对,其实我们早该想到了,越蠢得不可思议的兔子身上竟然有巨大的宝藏,再看看它的名字吧,“2B”!去掉一个“B”!就是“2”!对,你没有听错,就是“2”,你能想到4、8、16、32吗?
再想想,超级兔子的小抄本不够用,不就是因为它为了应对所有的目的地信息,它记录下了任何一个格子跳任意步会到达的格子,100个格子它要记录大概5000条信息,1000个格子大概要记录500000条信息,10000个格子它大概要记录50000000条信息,至于你晕没晕,我相信它应该晕了。
可不可以把记录的信息数降到最低呢?当然可以,2B兔子帮你忙,让你用2战胜敌人。
当你只记录任何一个格子跳1、2、4、8、16……步会到达的格子的时候,你有没有发现信息数突然少了好多好多啊!真的少了好多好多啊!100个格子只要500条左右,1000个格子只要5000条左右,10000个格子只要50000条左右,不比不知道,一比吓一跳啊!
安心小抄五十年,健康生活一辈子。
从此,超级小白兔成为了聪明小白兔,它的生活是这样的:
在夜深人静的时候,它偷偷出门做小抄,记录下从每个格子跳1、2、4、8……个格子后会到达的格子,然后在太阳出来后,它在众目睽睽之下,开始了表演。
从A出发:若跳8个格子(超过B了,放弃)
若跳4个格子(超过B了,放弃)
若跳2个格子(没超过B,跳吧)
若跳1个格子(没超过B,跳吧)
从B出发:…………
多么轻松的事情,只要一本很薄的小抄就可以了,最关键的是:它绝对不会连着跳两步都是跳相同的格子数,因为如果跳两次2个格子都是可行的话,那么它干嘛不跳4个格子捏?
我们可是从多到少来判断的啊!!
好的,聪明小白兔白天的事情你已经看懂了,且看它晚上是怎么打小抄的吧。
从A出发跳1步到1(记录下来)
从1出发跳1步到2(记录下来)
…………(跳1步的记录完毕)
从A出发跳2步?就是从A出发跳1步再跳1步的到的地方,翻看小抄,直接誊写从1出发跳1步会到的2这个格子作为A跳2步会到的格子。
从1出发跳2步?跟刚才一样,直接誊写。
…………(跳2步的记录完毕)
从A出发跳4步?你还真去跳4步?不,它也就是等于从A出发跳2步到的2号点再跳2步会到的格子,那么我们直接誊写2号格子跳2步会到的格子就可以了。
……
……
看看聪明小白兔多么聪明!也许还有自认为更聪明的:
“在记录A跳4步会到的格子的时候,为什么不直接从A跳4步看到了哪里再记录下来呢?跳4步跟跳1步的代价不是一样的么”
“我这样回答你好了!把你丢在纽约的一个公交车站,问你一条线路的下一个站是什么?你怎么办?当然是自己亲自走到下一个站就知道了!那如果问你接下来的第4个站是什么?难道你可以直接走到第4个站而不用途径其它的站点了吗?这不现实,你还是要一个一个站的走,因为关键在于你只能知道你目前所在站点的下一个站是什么,想知道下下个站,除非你已经到了下个站,兔子跳格子也跟这类似,虽然聪明小白兔神通广大,但是不至于伟大到可以提前预知跳几步会到哪里啊!!”
从此,聪明小白兔避免了成为人类的下酒菜,而被一群OIER们像神一样的供奉了起来,不要问它为什么,因为它也不知道,貌似只是某人卖了个小萌,事情就变成这样了。
完
基本思想:(参考:from lanshui_Yang)
deep[i] 表示 i节点的深度, fa[i,j]表示 i 的 2^j (即2的j次方) 倍祖先,那么fa[i , 0]即为节点i 的父亲,然后就有一个递推式子:
fa[i,j]= fa [ fa [i,j-1] , j-1 ]
可以这样理解:
设tmp = fa [i, j - 1] ,tmp2 = fa [tmp, j - 1 ] ,即tmp 是i 的第2 ^ (j - 1) 倍祖先,tmp2 是tmp 的第2 ^ (j - 1) 倍祖先 , 所以tmp2 是i 的第 2 ^ (j - 1) + 2 ^ (j - 1) = 2^ j 倍祖先,注意:这里的“倍”可不能理解为倍数的意思,而是距离节点i有多远的意思,节点i的第2 ^ j 倍祖先表示的节点u满足deep[ u ] - deep[ i ] = 2 ^ j。
这样子一个O(NlogN)的预处理求出每个节点的 2^k 的祖先
对每一个节点都记录走1,2,4,8.................步所能到达的距离,因为每一个点的操作是logn,所以预处理时间是O(NlogN)。
然后对于每一个询问的点对a, b的最近公共祖先就是:
先判断是否 d[x]< d[y] ,如果是的话就交换一下(保证 x 的深度大于 y 的深度), 然后把 x 调到与 y 同深度, 同深度以后再把a, b 同时往上调,调到有一个最小的 j 满足fa [x,j] != fa [y,j] (x,y是在不断更新的), 最后再把(x,y)往上调(x=p[x,0], y=p[y,0]) ,一个一个向上调直到x = y, 这时 x或y 就是他们的最近公共祖先。
Ps:如果还是不明白,就手动模拟一棵节点数为9的树(如下图所示),很快就会理解的。还有我不得不感叹一句 :二进制真的很神奇!!
- #include<iostream>
- #include<cstring>
- #include<algorithm>
- #include<string>
- #include<cmath>
- #include<vector>
- #include<cstdio>
- #define mem(a , b) memset(a , b , sizeof(a))
- using namespace std ;
- inline void RD(int &a)
- {
- a = 0 ;
- char t ;
- do
- {
- t = getchar() ;
- }
- while (t < '0' || t > '9') ;
- a = t - '0' ;
- while ((t = getchar()) >= '0' && t <= '9')
- {
- a = a * 10 + t - '0' ;
- }
- }
- inline void OT(int a)
- {
- if(a >= 10)
- {
- OT(a / 10) ;
- }
- putchar(a % 10 + '0') ;
- }
- const int MAXN = 10005 ;
- const int M = 30 ;
- vector<int> G[MAXN] ;
- bool vis[MAXN] ;
- int deep[MAXN] ;
- int fa[MAXN][M] ;
- int n ;
- int root ;
- void chu()
- {
- mem(vis , 0) ;
- mem(deep , 0) ;
- mem(fa , 0) ;
- int i ;
- for(i = 0 ; i <= n ; i ++)
- G[i].clear() ;
- }
- void dfs(int u)
- {
- vis[u] = true ;
- int i ;
- for(i = 0 ; i < G[u].size() ; i ++)
- {
- int v = G[u][i] ;
- if(!vis[v])
- {
- deep[v] = deep[u] + 1 ;
- dfs(v) ;
- }
- }
- }
- void bz() // 倍增祖先
- {
- int i , j ;
- for(j = 1 ; j < M ; j ++)
- {
- for(i = 1 ; i <= n ; i ++)
- {
- fa[i][j] = fa[ fa[i][j - 1] ][j - 1] ;
- }
- }
- }
- void swap(int &x , int &y)
- {
- int tmp = x ;
- x = y ;
- y = tmp ;
- }
- int LCA(int u , int v)
- {
- if(deep[u] < deep[v]) swap(u , v) ;
- int d = deep[u] - deep[v] ;
- int i ;
- for(i = 0 ; i < M ; i ++)
- {
- if( (1 << i) & d ) // 注意此处,动手模拟一下,就会明白的
- {
- u = fa[u][i] ;
- }
- }
- if(u == v) return u ;
- for(i = M - 1 ; i >= 0 ; i --)
- {
- if(fa[u][i] != fa[v][i])
- {
- u = fa[u][i] ;
- v = fa[v][i] ;
- }
- }
- u = fa[u][0] ;
- return u ;
- }
- void init()
- {
- scanf("%d" , &n) ;
- chu() ;
- int i ;
- for(i = 0 ; i < n - 1 ; i ++)
- {
- int a , b ;
- scanf("%d%d" , &a , &b) ;
- G[a].push_back(b) ;
- fa[b][0] = a ;
- if(fa[a][0] == 0)
- {
- root = a ;
- }
- }
- deep[root] = 1 ;
- dfs(root) ;
- bz() ;
- int u , v ;
- scanf("%d%d" , &u , &v) ;
- printf("%d\n", LCA(u , v)) ;
- }
- int main()
- {
- int T ;
- scanf("%d" , &T) ;
- while (T --)
- {
- init() ;
- }
- return 0 ;
- }
参考:
【白话系列】倍增算法 - CSDN博客
http://blog.csdn.net/jarjingx/article/details/8180560