倍增

倍增

倍增法，字面上看起来是翻倍。这种方法在很多算法中都有应用。比较常见的就是RMQ问题，

以及倍增求LCA

 

例题 给出一个长度为n的环，每次从第i个点跳到（i+k） mod n+1 个点，总共跳了m次。每个点

都有一个权值，记为a[i], 求m次起跳起点的权值之和对1e9+7取模的结果。

数据范围： 1 ≤ n ≤ 10^6,  1 ≤ m ≤ 10^18, 1 ≤ k ≤ n, 0 ≤ a[i] ≤ 10^9.

显然我们不可能暴力模拟跳m次，因为m最大可以达到10^18，这样会炸时间。所以，我们需要考虑进行一些预处理，提前整合出一些信息，以便查询。

那怎么预处理呢？？？ 再看一道题

 如何用尽可能的砝码称量出[0,31]所有的重量。

答案是使用1 2 4 8 16 这五个砝码，同理，如果要称[0,127]之间的重量，可以使用1 2 4 8 16 32 64这七个砝码。 每次我们都选2的整次幂最为砝码重量，

就可以使用极少的砝码个数，称出任意我们需要的数量。

为什么是极少呢？ 因为如果我们目标重量翻倍，那么砝码个数只需要增加1.这种增长速度还是比价可观的。

那么对于第一道例题，我们可以预处理从每个点开始跳1,2,4,8等2^j步的结果。 然后举个例子，当跳13步时，我们只需要跳1+4+8 步就好了，也就是从

起始点跳1步，然后在从跳了之后的终点跳4步

再接着跳8步。同时统计一下预选处理好的点权和，就可以知道跳13步的点权和了。

对于每个点 记录一个 go[i][j] 表示从第i个点，跳2^j 步的终点， sum[i][j] 表示从第x个点跳2^j能获得

的点权和。预处理时，开两重循环，我们可以看做先跳了2^(j-1) ,在跳了2^(j-1) 步，因为 2 * 2^(j-1)= 2 ^j .

所以递推式就是

 sum[i][j] = sum[i][j-1] + sum [go[i][j-1]] [j-1]; 2 go[i][j] = go[go[i][j-1]] [j-1]  

一些小细节就是，为了保证不重复计算，我们一般处理处左闭右开的点权和。即对于每跳一次，我们只记录起点和中间点的点权和

，相当于不将重点计入sum，这样就会保证不重复计算

#include<iostream>
#include<algorithm>
#include <cstdio>
using namespace std;

const int mod = 1000000007;

int vi[1000005];

int go[75][1000005];  // 将数组稍微开大以避免越界，小的一维尽量定义在前面
int sum[75][1000005];

int main() {
  int n, k;
  scanf("%d%d", &n, &k);
  for (int i = 1; i <= n; ++i) {
    scanf("%d", vi + i);
  }

  for (int i = 1; i <= n; ++i) {
    go[i][0] = (i + k) % n + 1;
    sum[i][0] = vi[i];
  }

  int logn = log(n);  // 一个快捷的取对数的方法
  for (int i = 1; i <= logn; ++i) {
    for (int j = 1; j <= n; ++j) {
      go[i][j] = go[go[i][j-1]][j-1];
      sum[i][j] = sum[i][j-1] + sum[go[i][j-1]] [j-1] % mod;
    }
  }

  long long m;
  scanf("%lld", &m);

  int ans = 0;
  int curx = 1;
  for (int i = 0; m; ++i) {
    if (m & (1 << i)) {  //意为 m 的第 i 位是否为 1
      ans = (ans+ sum[curx][i])) % mod;
      curx = go[curx][i];
      m ^= 1ll << i;  // 将第 i 位置零
    }
  }

  printf("%d\n", ans);
}

这种做法的时间复杂度是 预处理O(nlogm) 查询复杂度为 每次O（logm）；

RMQ问题

RMQ 问题就是区间最大值（最小值）问题

用倍增解决RMQ问题，其实就是ST表

ST表可以做到 O(nlogn)预处理 O(1) 的回答

f[i][j] 表示 区间 [j,i+2^j-1] 的最大值

初值 f[i][0] = a[i];

转移方程式 就是

 f[i][j] = max(f[i][j-1],f[i+(1<<(j-1)] [j-1] 

对于每个询问，我们可以把它分成两部分 f[L][s] 与 f[ R-（1<<s）+1][s]

其中 s = log(r-l+1）

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int N = 1e5+10;
int n,m,ans,x,l,r,tmp;
int f[N][21],lg[N];
inline int read()
{
    int x=0,f=1;char ch=getchar();
    while (!isdigit(ch)){if (ch=='-') f=-1;ch=getchar();}
    while (isdigit(ch)){x=x*10+ch-48;ch=getchar();}
    return x*f;
}
int main(){
    n = read(), m = read();
    lg[0] = -1;
    for(int i = 1; i <= n; i++){
        f[i][0] = read();
        lg[i] = lg[i>>1] +1;//预处理每个数的log（）
    }
    for(int j = 1;  j <= 20; j++){
        for(int i = 1; i + (1<<j)-1 <= n; i++){
            f[i][j] = max(f[i][j-1],f[i+(1<<(j-1))][j-1]);//预处理f数组
        }
    }
    for(int i = 1; i <= m; i++){
        l = read(), r = read();
        tmp = lg[r-l+1];
        ans = max(f[l][tmp],f[r-(1<<tmp)+1][tmp]);//O(1)查询
        printf("%d\n",max(f[l][tmp],f[r-(1<<tmp)+1][tmp]));
    }
    return 0;
} 

RMQ问题还可以用线段树来写，时间也比倍增要快很多，倍增维护RMQ一般没人用

例题——>降雨量（这道题区间有序的，直接用lower_bound就行了，没必要用倍增）

习题： 平衡的阵容

           超级钢琴

           奶牛排队

       RMQproblem

倍增求LCA

也没有什么可以讲的，我主要用树剖求LCA，不但快还不容易被卡QAQ。

 象征性放个代码

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<cmath>
#include<queue>
using namespace std;

const int N = 5e5+100; 
int n,m,x,y,tot,s;
int d[N],p[N][23],head[N];

struct tree{
    int to;
    int net;
}e[N<<1];
void add(int x,int y){
    tot++;
    e[tot].to = y;
    e[tot].net = head[x];
    head[x] = tot;
}
void dfs1(int x,int fa){
    d[x] = d[fa] +1;
//    deep[x] = d[x];
//    manx = max(manx,d[x]);
    p[x][0] = fa;
    for(int i = 1; i<= 20; i++){
        p[x][i] = p[p[x][i-1]][i-1];
    }
    for(int i = head[x]; i; i =e[i].net){
        int to = e[i].to;
        if(to != fa) dfs1(to,x);
    }
}

int lca(int a,int lp)
{
    if(d[a]>d[lp]) swap(a,lp);
    for(int i=20;i>=0;i--)
    {
        if(d[a]<=d[lp]-(1<<i))
        {
            lp=p[lp][i];
        }
    }
    if(a==lp) return a;
    for(int i=20;i>=0;i--)
    {
        if(p[a][i]!=p[lp][i])
            a=p[a][i],lp=p[lp][i];
    }
    return p[a][0];
}
int main(){
    scanf("%d%d%d",&n,&m,&s);
    for(int i = 1; i <= n-1; i++){
        scanf("%d%d",&x,&y);
        add(x,y);
        add(y,x);
    }
    dfs1(s,0);
    for(int i = 1; i <= m; i++){
        scanf("%d%d",&x,&y);
        cout<<lca(x,y)<<endl;
    }
    return 0;
}