填坑行动8-最近公共祖先LCA（树上倍增） 学习笔记

目录

• 板子题
  • • 题目描述
    • 输入格式
    • 输出格式
    • 输入输出样例
    • 说明/提示
• 算法解析
• 关于LCA的拓展

板子题

题目描述

如题，给定一棵有根多叉树，请求出指定两个点直接最近的公共祖先。

输入格式

第一行包含三个正整数$N,M,S$分别表示树的结点个数、询问的个数和树根结点的序号。

接下来$N−1$行每行包含两个正整数$x, y$表示$x$结点和$y$结点之间有一条直接连接的边（数据保证可以构成树）。
接下来$M$行每行包含两个正整数$a,b$，表示询问$a$结点和$b$结点的最近公共祖先。

输出格式

输出包含$M$行，每行包含一个正整数，依次为每一个询问的结果。

输入输出样例

输入 #1

5 5 4
3 1
2 4
5 1
1 4
2 4
3 2
3 5
1 2
4 5

输出 #1复制

4
4
1
4
4

说明/提示

对于$30\%$的数据，$N\leq10,M\leq 10$。
对于$70\%$的数据，$N\leq 10000,M\leq 10000$。
对于$100\%$的数据，$N\leq 500000，M\leq 500000$。
样例说明：
该树结构如下：

第一次询问：$2,4$的最近公共祖先，故为$4$。
第二次询问：$3,2$的最近公共祖先，故为$4$。
第三次询问：$3,5$的最近公共祖先，故为$1$。
第四次询问：$1,2$的最近公共祖先，故为$4$。
第五次询问：$4,5$的最近公共祖先，故为$4$。
故输出依次为$4,4,1,4,4$。

算法解析

首先大家都可以想到，这道题目可以使用$\operatorname{dfs}$来解决这个问题，但是，我们很容易得出这个算法并不能A掉这道题目，$\operatorname{dfs}$的算法复杂度是$\Theta\left(NM\right)$，超时。
我们来分析一下$\operatorname{dfs}$的步骤：

1. 将较低的节点提升，使两个节点在同一高度。
2. 将两个节点提升，直到重合。

我们发现在上述过程中，都需要将两个节点向上提，最坏情况下提$N$次，那么怎样才能吧节点提起更快呢？也就是一次不仅仅提一个。

倍增就可以做到。我们学过RMQ问题的同学都知道，RMQ使在一条链上进行倍增，而倍增版本的LCA也是相同的原理。令$f_{i,j}$为节点$i$向上提$2^j$个节点是多少，不难得出递推公式： $$\large f_{i,j}=f_{f_{i,j-1},j-1}$$
写在代码中就是：f[i][j]=f[ f[i][j-1 ][j-1]
解读：相当于节点$i$向上提$2^j$次就相当于先提$2^{j-1}$次，在提$2^{j-1}$次即可。

预处理代码如下：

void dfs(int num,int pre){
	f[num][0]=pre;
	deep[num]=deep[pre]+1;
	for(int i=1;i<=t;i++)
	    f[num][i]=f[f[num][i-1]][i-1];
	for(int i=head[num];i;i=nex[i])
	    if(to[i]!=pre)
	        dfs(to[i],num);
}

得到了$f_{i,j}$，我们就可以得出$\operatorname{LCA}\left(a,b\right)$了，具体做法和dfs一样，但是需要注意两点：

1. 在提节点的时候要注意从大到小计算。
2. 当两个节点位于同一高度时，要特判两个点是否重合。
3. 注意在向上提两个点的时候，需要让两个点不相等，不然会提过头。

然后就是LCA的代码了：

int lca(int x,int y){
	if(deep[x]<deep[y]){
		x^=y;
		y^=x;
		x^=y;
	}//交换 
	if(deep[x]>deep[y]){
		for(i=t;i>=0;i--)
		    if(deep[f[x][i]]>=deep[y]&&f[x][i]!=0)
		        x=f[x][i];
		//if(deep[x]!=deep[y]) printf("*"); //翻车标记
	}
	if(x==y) return x;
	for(i=t;i>=0;i--)
	    if(f[x][i]!=f[y][i]&&f[x][i]!=0&&f[y][i]!=0)
	        x=f[x][i],y=f[y][i];
	//if(f[x][0]!=f[y][0]) printf("*"); //翻车标记 
	return f[x][0];
}

最后是完整的AC代码：

#include<cstdio>
#include<cmath>
#define maxn 500039
using namespace std;
int head[maxn],nex[maxn<<1],to[maxn<<1],k;
#define add(x,y) nex[++k]=head[x];\
head[x]=k;\
to[k]=y;
int u,v,f[maxn][20],deep[maxn];
int root,n,m,i,j,T,t;
void dfs(int num,int pre){
	f[num][0]=pre;
	deep[num]=deep[pre]+1;
	for(int i=1;i<=t;i++)
	    f[num][i]=f[f[num][i-1]][i-1];
	for(int i=head[num];i;i=nex[i])
	    if(to[i]!=pre)
	        dfs(to[i],num);
}
int lca(int x,int y){
	if(deep[x]<deep[y]){
		x^=y;
		y^=x;
		x^=y;
	}//交换 
	if(deep[x]>deep[y]){
		for(i=t;i>=0;i--)
		    if(deep[f[x][i]]>=deep[y]&&f[x][i]!=0)
		        x=f[x][i];
		//if(deep[x]!=deep[y]) printf("*"); //翻车标记
	}
	if(x==y) return x;
	for(i=t;i>=0;i--)
	    if(f[x][i]!=f[y][i]&&f[x][i]!=0&&f[y][i]!=0)
	        x=f[x][i],y=f[y][i];
	//if(f[x][0]!=f[y][0]) printf("*"); //翻车标记 
	return f[x][0];
}
int main(){
    scanf("%d%d%d",&n,&T,&root);
    for(i=1;i<n;i++){
    	scanf("%d%d",&u,&v);
    	add(u,v);
    	add(v,u);
	}
	deep[0]=-1;
	t=(int)log2(n)+1;
	dfs(root,0);
	int x=0,y=1;
	while(T--){
		scanf("%d%d",&u,&v);
		printf("%d\n",lca(u,v));
	}
	return 0;
}

都0202年了应该没人用邻接矩阵的吧。

关于LCA的拓展

LCA不仅仅能处理最近公共祖先，而且还可以处理两个点到最短公共祖先的距离、最短路、最大最小点权、最大最小边……这里就不一一叙述了。