【算法学习笔记】动态规划与数据结构的结合，在树上做DP

前置芝士：Here

本文是基于 OI wiki 上的文章加以修改完成，感谢社区的转载支持和其他方面的支持

树形 DP，即在树上进行的 DP。由于树固有的递归性质，树形 DP 一般都是递归进行的。

基础

以下面这道题为例，介绍一下树形 DP 的一般过程。

题目描述

某大学有 $n$ 个职员，编号为 $1 \sim N$ 。他们之间有从属关系，也就是说他们的关系就像一棵以校长为根的树，父结点就是子结点的直接上司。现在有个周年庆宴会，宴会每邀请来一个职员都会增加一定的快乐指数 $a_{i}$ ，但是呢，如果某个职员的上司来参加舞会了，那么这个职员就无论如何也不肯来参加舞会了。所以，请你编程计算，邀请哪些职员可以使快乐指数最大，求最大的快乐指数。

我们可以定义 $f (i, 0 / 1)$ 代表以 $i$ 为根的子树的最优解（第二维的值为 0 代表 $i$ 不参加舞会的情况，1 代表 $i$ 参加舞会的情况）。

显然，我们可以推出下面两个状态转移方程（其中下面的 $x$ 都是 $i$ 的儿子）：

$f (i, 0) = \sum max {f (x, 1), f (x, 0)}$ （上司不参加舞会时，下属可以参加，也可以不参加）
$f (i, 1) = \sum f (x, 0) + a_{i}$ （上司参加舞会时，下属都不会参加）

我们可以通过 DFS，在返回上一层时更新当前结点的最优解。

代码

const int N = 1e4 + 10;
vector tr[N];
int f[N][2], v[N], Happy[N], n;
void dfs(int u) {
    f[u][0] = 0; f[u][1] = Happy[u];
    for (auto v : tr[u]) {
        dfs(v);
        f[u][0] += max(f[v][0], f[v][1]);
        f[u][1] += f[v][0];
    }
}
int main() {
    cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false);
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) cin >> Happy[i];
    for (int i = 1, x, y; i < n; ++i) {
        cin >> x >> y;
        v[x] = 1;// x has a father
        tr[y].push_back(x);
    }
    int root;
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
        if (!v[i]) {root = i; break;}
    dfs(root);
    cout << max(f[root][0], f[root][1]) << "\n";
}

树上背包

树上的背包问题，简单来说就是背包问题与树形 DP 的结合。

例题洛谷 P2014 CTSC1997 选课

题目描述

现在有 $n$ 门课程，第 $i$ 门课程的学分为 $a_{i}$ ，每门课程有零门或一门先修课，有先修课的课程需要先学完其先修课，才能学习该课程。
一位学生要学习 $m$ 门课程，求其能获得的最多学分数。
$n, m \leq 300$

每门课最多只有一门先修课的特点，与有根树中一个点最多只有一个父亲结点的特点类似。

因此可以想到根据这一性质建树，从而所有课程组成了一个森林的结构。为了方便起见，我们可以新增一门 $0$ 学分的课程（设这个课程的编号为 $0$ ），作为所有无先修课课程的先修课，这样我们就将森林变成了一棵以 $0$ 号课程为根的树。

我们设 $f (u, i, j)$ 表示以 $u$ 号点为根的子树中，已经遍历了 $u$ 号点的前 $i$ 棵子树，选了 $j$ 门课程的最大学分。

转移的过程结合了树形 DP 和背包 DP 的特点，我们枚举 $u$ 点的每个子结点 $v$ ，同时枚举以 $v$ 为根的子树选了几门课程，将子树的结果合并到 $u$ 上。

记点 $x$ 的儿子个数为 $s_{x}$ ，以 $x$ 为根的子树大小为 $s i z_{x}$ ，很容易写出下面的转移方程：

f (u, i, j) = max_{v, k \leq j, k \leq s i z_{v}} f (u, i - 1, j - k) + f (v, s_{v}, k)

注意上面转移方程中的几个限制条件，这些限制条件确保了一些无意义的状态不会被访问到。

$f$ 的第二维可以很轻松地用滚动数组的方式省略掉，注意这时需要倒序枚举 $j$ 的值。

我们可以证明，该做法的时间复杂度为 $O (n m)$ ^[1]。

代码

const int N = 310;
vectore[N];
int f[N][N], s[N], n, m;
void dfs(int x) {
    f[x][0] = 0;
    for (int v : e[x]) { // 循环子节点（物品）
        dfs(v);
        for (int t = m; t >= 0; --t)     // 倒序循环当前选课总门数（当前背包体积）
            for (int j = 0; j <= t; ++j) // 循环更深子树上的选课门数（组内物品）
                f[x][t] = max(f[x][t], f[x][t - j] + f[v][j]);
        /* 或者
            for (int j = t; j >= 0; j--)
                if (t + j <= m)
                    f[x][t+j] = max(f[x][t+j], f[x][t] + f[y][j]);
            这两种写法j分别用了正序和倒序循环
            是为了正确处理组内体积为0的物品（本题正序倒序都可以AC是因为体积为0的物品价值恰好也为0）
            请读者结合0/1背包问题中DP的“阶段”理论思考 */
    }
    if (x != 0) // x不为0时，选修x本身需要占用1门课，并获得相应学分
        for (int t = m; t > 0; t--) f[x][t] = f[x][t - 1] + s[x];
}
int main() {
    cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false);
    cin >> n >> m;
    for (int i = 1, x; i <= n; ++i) {
        cin >> x >> s[i];
        e[x].push_back(i);
    }
    memset(f, 0xcf, sizeof(f)); // -inf
    dfs(0);
    cout << f[0][m] << "\n";
}

换根 DP

树形 DP 中的换根 DP 问题又被称为二次扫描，通常不会指定根结点，并且根结点的变化会对一些值，例如子结点深度和、点权和等产生影响。

通常需要两次 DFS，第一次 DFS 预处理诸如深度，点权和之类的信息，在第二次 DFS 开始运行换根动态规划。

接下来以一些例题来带大家熟悉这个内容。

例题 [POI2008]STA-Station

题目描述

给定一个 $n$ 个点的树，请求出一个结点，使得以这个结点为根时，所有结点的深度之和最大。

注意题目的样例给的输出是错误，正确的输出是 $24$

不妨令 $u$ 为当前结点， $v$ 为当前结点的子结点。首先需要用 $s_{i}$ 来表示以 $i$ 为根的子树中的结点个数，并且有 $s_{u} = 1 + \sum s_{v}$ 。显然需要一次 DFS 来计算所有的 $s_{i}$ ，这次的 DFS 就是预处理，我们得到了以某个结点为根时其子树中的结点总数。

考虑状态转移，这里就是体现＂换根＂的地方了。令 $f_{u}$ 为以 $u$ 为根时，所有结点的深度之和。

$f_{v} \leftarrow f_{u}$ 可以体现换根，即以 $u$ 为根转移到以 $v$ 为根。显然在换根的转移过程中，以 $v$ 为根或以 $u$ 为根会导致其子树中的结点的深度产生改变。具体表现为：

所有在 $v$ 的子树上的结点深度都减少了一，那么总深度和就减少了 $s_{v}$ ；
所有不在 $v$ 的子树上的结点深度都增加了一，那么总深度和就增加了 $n - s_{v}$ ；

根据这两个条件就可以推出状态转移方程 $f_{v} = f_{u} - s_{v} + n - s_{v} = f_{u} + n - 2 \times s_{v}$ 。

于是在第二次 DFS 遍历整棵树并状态转移 $f_{v} = f_{u} + n - 2 \times s_{v}$ ，那么就能求出以每个结点为根时的深度和了。最后只需要遍历一次所有根结点深度和就可以求出答案。

代码

using pii = pair;
const int N = 2e5 + 10;
vectore[N];
int f[N], d[N], ff[N];
void dfs(int u, int fa) {
    for (auto [v, w] : e[u]) {
        if (v == fa) continue;
        dfs(v, u);
        if (d[v] == 1) f[u] += w;
        else f[u] += min(f[v], w);
    }
}
void dfs1(int u, int fa) {
    ff[u] = f[u];
    for (auto [v, w] : e[u]) {
        if (v == fa)continue;
        if (d[v] == 1) {
            f[u] -= w;
            f[v] += min(f[u], w);
        } else {
            f[u] -= min(w, f[v]);
            f[v] += min(w, f[u]);
        }
        dfs1(v, u);
    }
}
int main() {
    cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false);
    int _; for (cin >> _; _--;) {
        int n; cin >> n;
        for (int i = 1; i <= n; ++i) {
            e[i].clear();
            d[i] = f[i] = ff[i] = 0;
        }
        for (int i = 1, u, v, w; i < n; ++i) {
            cin >> u >> v >> w;
            e[u].push_back({v, w});
            e[v].push_back({u, w});
            d[u]++, d[v]++;
        }
        dfs(1, -1);
        dfs1(1, -1);
        int ans = 0;
        for (int i = 1; i <= n; ++i) ans = max(ans, ff[i]);
        cout << ans << "\n";
    }
}