《浅谈亚 log 数据结构在 OI 中的应用》阅读随笔

这篇又长长长了！
$8435\to 8375\to 9729$

早就馋这篇了！终于学了（
压位 Trie 确实很好写啊但是总感觉使用范围不是很广的样子
似乎是见的题少

原文里都在用 $\log_2$，但我不是很习惯，所以还是用 $\log$。

不出意外的话下一篇是 EI 树。出了意外的话（指完全看不懂）就咕咕咕。

引言

数据结构！该学还是得学的，这给你讲讲亚 $\log$ 的，挺nb！但是有些没用的就不说了，常数大还难写。这讲讲压位 Trie 和 vEB 树。
这玩意用来解决动态前趋问题（Dynamic Predecessor Problem）。我还给你测了测，反正你知道这玩意厉害就行了！这里是代码！
反正不要钱，多少看一点~

1 $\text{Dynamic Predecessor Problem}$

动态前趋问题

你需要写一种数据结构，维护一个数字集合。需要支持以下几种操作：

若原来不存在数 $x$，插入数 $x$；

若原来存在数 $x$，删除数 $x$；

求数 $x$ 的前趋（前趋定义为小于 $x$ 且最大的数，若不存在输出 $-1$）；

求数 $x$ 的后继（后继定义为大于 $x$ 且最小的数，若不存在输出 $-1$）；

假设操作数为 $n$，保证 $1\le n, x \le 10^7$。

时间限制：$\text{1s}$
空间限制：$\text{32MB}$

常见解法

平衡树
不展开。卡时间还卡空间，它已经死力
树状数组
可以树状数组维护 01，树状数组上二分解决。
单次时间复杂度是 $O(\log V)$，空间复杂度是 $O(V)$。常数小但是太慢了。
整型压位
适用于值域在 $2^{64}$ 以内的情况。
可以使用 $\text{ctz}$ 等函数和位运算在 $O(1)$ 复杂度内解决。

2 压位 Trie

压位 Trie，又称 $\omega$ 叉 Trie，常数小还好写。
各操作的复杂度均为 $\log_{\omega} V$，并且具有较高的拓展性。这里的 $\omega$ 常取 $64$，使用 unsigned long long 压位。

2.1 结构

假设 $c= \log \omega$。

一棵大小为 $2^k$ 的压位 Trie 可以维护一个值域为 $[0,2^k)$ 的集合。
如果 $2^k \le \omega$，显然可以使用一个整型压位解决。下面只讨论 $2^k > \omega$ 的情况。

我们定义 $high(x) = \left\lfloor\frac {x}{2^{k-c}}\right\rfloor$，$low(x) = x \bmod 2^{k-c}$。两个函数的作用是取 $x$ 的低 $c$ 位与高位。
对于一棵大小为 $2^k$ 的压位 Trie，其有 $\omega$ 棵大小为 $2^{k-c}$ 的子压位 Trie $A_i(0\le i < \omega)$，其中 $A_i$ 维护目前高位为 $i$ 的值的低位组成的集合。每个节点维护一个 $\omega$ 大小的 word 维护第 $i$ 棵子树内是否维护了值。

论文里的图：

当 $\omega = 4$ 的情况。这棵压位 Trie 维护了 $[0,2^4)$ 里的值，集合为 $\{0,2,9,10,11,12,13,14,15\}$。可以看到每一个节点的 word。

2.2 插入/删除

假设现在在一棵大小为 $2^k$ 的压位 Trie 中插入元素 $x$。首先需要将 $low(x)$ 插入 $A_{high(x)}$ 中。然后递归。结束了！
删除同理。递推地删除掉只有 $x$ 的子树对其父亲的标记即可。如果子树删后非空退出即可。
每次都会进入一个大小为原来的 $\frac 1\omega$ 的压位 Trie 中，因此插/删的复杂度为 $O(\log_\omega V)$ 的。

2.3 前趋/后继

假设现在在一棵大小为 $2^k$ 的压位 Trie 中查询元素 $x$ 的前趋。我们首先在 $A_{high(x)}$ 里查询 $low(x)$ 的前趋。查到了就退出。
到这了就是没查到。找一个 $A_{j}$ 满足 $0\le j < high(x)$ 而且里面有元素。如果存在就返回这个玩意里面的最大值，不存在返回 $-1$。
因为压位 Trie 是对称的，后继平凡。
复杂度还是 $O(\log_\omega V)$ 的。

2.4 复杂度

发现所有操作都是 $O(\log_\omega V) = O(\frac{\log V} {\log \omega} )$ 的。一般取 $\omega = O(\log V)$，所以有复杂度 $O(\frac {\log V}{\log \log V})$。
假设一棵大小为 $2^k$ 的压位 Trie 的空间复杂度为 $F(k)$。容易发现 $\forall \ 1\le 2^i \le \omega, \ F(i) = 1$，且 $F(k) = \omega F(k - c) + 1$。因此 $F(k) = O(2^k)$。调整第一层子压位 Trie 个数能做到 $O(\frac {2^k} {\omega})$ 的空间复杂度。评价：奥妙重重。

2.5 具体实现

边看代码边说（

Submission.

you wanna see code? click here!

template<const long long Nb>
struct comp_trie {
    #define clz(x) __builtin_clzll(x)
    #define ctz(x) __builtin_ctzll(x)
 
    int siz;
    vector<vector<ull> > t;
    ull a[1 << 6], b[1 << 6];
    comp_trie() { 
        ll nowlen = 1;
        while (nowlen <= Nb) {
            t.emplace_back(vector<ull>(nowlen));
            nowlen <<= 6;
        } reverse(t.begin(), t.end());
        siz = t.size(); cerr << siz << '\n';
        a[0] = 0, b[0] = ~1ull; 
        for (int i = 1; i < 64; ++ i) 
            a[i] = a[i - 1] << 1 | 1, b[i] = b[i - 1] << 1;
    }
 
    inline void insert(int x) { for (int i = 0; i < siz; ++ i, x >>= 6) t[i][x >> 6] |= 1ull << (x & 63); }
    inline void erase(int x) { for (int i = 0; i < siz; ++ i, x >>= 6) if (t[i][x >> 6] &= ~(1ull << (x & 63))) return; }
    inline void assign(int x, int i) { i ? insert(x) : erase(x); }
 
    inline int prev(int x) {
        int i, pre; ull tmp;
        for (i = 0; ; i ++, x >>= 6) {
            if (i == siz) return -1;
            tmp = t[i][x >> 6] & a[x & 63];
            if (tmp) {
                pre = (63 ^ clz(tmp)) | (x & ~63);
                break;
            }
        } for (; i; -- i) pre = pre << 6 | (63 ^ clz(t[i - 1][pre]));
        return pre;
    }
    inline int next(int x) {
        int i, nxt; ull tmp;
        for (i = 0; ; i ++, x >>= 6) {
            if (i == siz) return -1;
            tmp = t[i][x >> 6] & b[x & 63];
            if (tmp) {
                nxt = ctz(tmp) | (x & ~63);
                break;
            }
        } for (; i; -- i) nxt = nxt << 6 | ctz(t[i - 1][nxt]);
        return nxt;
    }
}; comp_trie<100005> Tr;

一个节点就是一个 word。为了空间可以写成五个数组+指针数组的形式，速度应该不是很差。
然后我们就可以从底向上更新了，常数会更小一点（确信

论文里说的关于删除和查询的剪枝都用了，就是，接下来再做操作没意义了就退出。但是这点我不会在插入上实现。想实现但是挂了www
经过少许卡常后是 infoj 的最优解。

2.6 拓展

改个操作。现在是 $\text{Dynamic Prefix Problem}$ 了，我们需要支持插入删除和查询排名。

新的查询在原来的压位 Trie 结构上无法实现，因为我们无法快速查询前 $k$ 个子树内总共有几个元素。然后改一下叉数。设现在叉数为 $B$，每当一个节点的子树插入了 $B$ 个元素后我们重构一次，计算出每个位置的子树内有多少元素，求前缀和后备用。现在只需要维护最近的 $O(B)$ 个元素中有几个大于 $x$ 的，即一个前缀内的子树元素个数，

我们考虑用一个 word 存储目前子树内信息。具体地，我们的 word 里有恰好 $B +1$ 个 $0$，第 $i$ 个 $0$ 和第 $i + 1$ 个 $0$ 之间的 $1$ 的个数表示第 $i$ 棵子树内有几个元素了。最前和最后的 $0$ 可以去掉。如果向查询前 $k$ 棵子树有多少元素，就可以查询第 $k + 1$ 个 $0$ 的位置，这自然能导出在它前面有几个 $1$。我们可以使用 Method of Four Russians 来优化，即打出一张表，存储每一个不同的查询的答案。插入一个 $1$ 可以使用位运算平凡解决。如果我们取 $B = \frac{\log n} 3$ ，那么预处理复杂度将小于 $O(n)$，因此我们能以均摊 $O(\frac {\log V}{\log \log n} )$ 的时间复杂度解决这个问题，我们也有一些手段将其变为严格 $O(\frac {\log V}{\log \log n} )$。

3 vEB 树

压位 Trie 的复杂度里 $\omega$ 是在分母上的。所以叉数越大效率越高。但是如果你对 word 的操作复杂度不是 $O(1)$，那就得不偿失了。
vEB 树（van-Emde Boas Tree）采用了一定的策略，使得其在叉数增加的情况下保证了时间复杂度，因此可以在 $O(\log\log V)$ 的复杂度下支持每个操作。

3.1 结构

一棵大小为 $2^k$ 的 vEB 树可以维护一个值域为 $[0,2^k)$ 的集合。
如果 $k < 2$，显然可以使用 $2^k$ 个布尔值维护。否则我们令 $m = \left\lfloor\frac k2 \right\rfloor$。我们维护 $2^{k-m}$ 个 $2^m$ 大小的子 vEB 树 $A_i(0\le i < 2^{k-m})$。
我们定义 $high(x) = \left\lfloor\frac {x}{2^{m}}\right\rfloor$，$low(x) = x \bmod 2^{m}$。
对于一棵 vEB 树维护的集合，我们记录其 $\max$ 和 $\min$（若集合为空则分别为 $-\infty$ 和 $\infty$）并将除了最小值的元素插入其子 vEB 树中。对于 $x$，我们在 $A_{high(x)}$ 中插入 $low(x)$。

为加速查找，我们再定义一个大小 $2^{k-m}$ 的 vEB 树 $B$，其维护出现的数的高位的集合。$B$ 可以加速我们的查询。

3.2 边界

对于一棵空的 vEB 树，我们插入元素 $x$ 时只需要将 $\max$ 和 $\min$ 都设为 $x$。
对于一棵 vEB 树，其集合大小为 $1$ 当且仅当其的 $\max = \min$。
对于一棵集合大小为 $1$ 的 vEB 树，我们删除元素时只需要将 $\max$ 和 $\min$ 初始化。
对于一棵大小为 $2^k$ 的 vEB 树，假设子 vEB 树 $A_x$ 中存在元素 $y$，就说明本树中存在值为 $2^m \times x + y$ 的元素。
这些操作都可以 $O(1)$ 完成。

3.3 插入

假设我们要在一棵大小为 $2^k$ 的 vEB 树中插入一个元素 $x$。
如果该树为空则直接按边界插入即可。
如果 $x < \min$，交换 $x$ 和 $\min$ 后接着插入原来的 $\min$。如果 $x > \max$，更新 $\max$。

首先我们需要在 $A_{high(x)}$ 中插入 $low(x)$，并在 $B$ 中插入 $high(x)$。容易发现，当 $A_{high(x)}$ 非空时，$B$ 中一定已存在 $high(x)$，所以我们只需要在 $A_{high(x)}$ 中插入。否则 $A_{high(x)}$ 为空，按边界插入即可。因此每次只会向一侧插入元素。
假设 $T(k)$ 为在大小为 $2^k$ 的 vEB 树中插入元素的时间复杂度，我们有 $T(0) = T(1) = 1, T(k) = T(\left\lceil\frac k2\right\rceil) + O(1)$。主定理得 $T(k) = O(\log k)$，而 $k = O(\log V)$，因此总时间复杂度为 $O(\log \log V)$。

3.4 删除

假设我们要在一棵大小为 $2^k$ 的 vEB 树中插入一个元素 $x$。
如果该树为空则直接按边界删除即可。

如果 $x = \min$，则我们需要在删除 $\min$ 后求得新的 $\min$。新 $\min$ 的高位必定是最小的，所以我们在 $B$ 中找出高位最小值，并在高位对应的子 vEB 树中找到低位最小值，即可得到新的 $\min$。
然后我们需要在 $A_{high(x)}$ 中删除 $low(x)$。删空了就在 $B$ 中删除 $high(x)$。
如果 $A_{high(x)}$ 维护的集合大小为 $1$，则在 $A_{high(x)}$ 中删除元素的复杂度为 $O(1)$ 的，因此这里只会向 $B$ 递归。反之我们不需要维护 $B$。因此每次只会向一侧删除元素。
复杂度同样是 $O(\log \log V)$。

3.5 前趋/后继

假设我们要在一棵大小为 $2^k$ 的 vEB 树中查询元素 $x$ 的前趋。

$x$ 的前趋与 $x$ 高位相同当且仅当 $A_{high(x)}$ 的 $\min$ 小于 $low(x)$，因此可以 $O(1)$ 判断其前趋是否在 $A_{high(x)}$ 中。如果在的话直接查询 $low(x)$ 的前趋。
否则，$x$ 的前趋一定是 $high(x)$ 的前趋，这个可以向 $B$ 递归求得。递归回后取 $high(x)$ 前趋对应子树的最大值即可。
后继镜像，不展开。总时间复杂度 $O(\log \log V)$。

对于前趋，如果 $B$ 中的最小值大于等于 $high(x)$，则前趋将是整棵 vEB 树的最小值。
对于后继，发现我们要取子树的最小值。需要注意的是，最小值不在 vEB 树的子结构中。

3.6 注意点

可以将维护集合大小为 $64$ 的情况特殊判断，采用一个 unsigned long long 型的 word 维护。若 $\omega = 64$，即便是维护一个大小为 $2^{24}$ 的集合也只用递归两层，大大减小了常数。
~~这里注意$老师的模板中 vEB 树的 size 是 $\frac k2$~~

由于 vEB 树的结构复杂，因此可以采用 template 语法定义不同大小的 vEB 树，特化小型的 vEB 树也比较方便。

3.7 复杂度

可以发现单次操作的时间复杂度均为 $O(\log \log V)$。

对于空间复杂度，假设一棵大小为 $2^k$ 的 vEB 树空间复杂度为 $T(k)$。容易得到 $\forall \ 1\le 2^i \le \omega,\ T(i) = 1$。同时有 $T(k) = T(\left\lceil\frac k2\right\rceil) + 2^{\left\lceil\frac k2\right\rceil}T(\left\lfloor\frac k2\right\rfloor) + 2$。
我们可以证明 $T(k)$ 可能会达到 $O(\frac {2^k}{\sqrt \omega})$，但可以通过调整 vEB 树的叉数得到 $O(\frac {2^k}{\omega})$ 的空间复杂度。
在值域大的情况下可以考虑哈希表等方式降低 vEB 树的空间复杂度。

4 对于部分数据结构效率的一些测试

操作次数为 $10^7$，值域范围为 $[0,2^{24})$。
第一组数据是插入 $10^7$ 个不同的数字。
第二组数据是插入 $10^6$ 个不同的数字后进行 $9\times10^6$ 次前趋/后继查询。
第三组数据是插入 $10^5$ 个不同的数字后进行 $99\times10^5$ 次前趋/后继查询。
第四组数据是插入 $5\times 10^6$ 个不同的数字后随机地删除这 $5\times 10^6$ 个数字。

从时间角度来说：可以发现 vEB 树和压位 Trie 在时间上还是远远快于其它两个 $\log$ 数据结构，在集合数字比较稀疏的情况下的查询甚至比树状数组快了 $10$ 倍多。相对来说，vEB 树的插入删除略慢于压位 Trie，但是其查询效率还是可以的。这仅仅是随机数据，在更加强力的数据下 vEB 树可能会有相对更高的查询效率。但是压位 Trie 已经完全能够满足我们的使用需求。
从空间角度来说：四个数据结构使用的空间分别为：455MB, 64MB, 2.06MB, 2.03MB。可以见压位 Trie 与 vEB 树在操作数和值域基本同阶的情况下，空间也是非常占优势的。而树状数组的空间也相对来说较小。
从实现难度来说：笔者认为压位 Trie，vEB 树实现难度均在可接受范围之内，而压位 Trie 相对来说更加容易实现，且在很多情况下效率更高。

这段粘的。

5 例题

5.1 [北大集训 2018] ZYB 的游览计划

给定一棵 $n$ 个节点的树，和一个 $1\sim n$ 的排列 $p$。定义一个整数区间 $[l,r]$ 的权值为从 $1$ 号节点出发遍历完 $p_l, p_l+1,\cdots,p_r$（无需按顺序）后回到 $1$ 号节点需要经过的最小边数。
现在将 $[1,n]$ 划分成 $k$ 个区间，问权值和的最大值。

$2\le k \le n\le n\times k \le 2\times 10^5$。

时间限制：$\text{7s}$。
空间限制：$\text{512MB}$。

可以决策单调性，这里不提。
容易发现我们沿着 dfs 序从小到大遍历一定是最优的。因此我们需要维护一个有序集合中任意两个点的距离以及 $1$ 号节点和 dfs 序最小/最大的点的距离。
插入一个点 $b$：求出点的前趋 $a$ 和后继 $c$，答案变化 $dis(a,b) + dis(b,c) - dis(a,c)$。
删除一个点 $b$：求出点的前趋 $a$ 和后继 $c$，答案变化 $dis(a,c) - dis(a,b) - dis(b,c)$。
使用 vEB 树或压位 Trie 实现可以做到 $O(nk\log n\log \log n)$。

使用压位 Trie 的实现经测试可以做到 150ms 左右。

5.2 [ZJOI2019] 语言

有一棵 $n$ 个顶点的树，和 $q$ 条树上的链 $(u_i, v_i)$。对于一条链，链上的任意不同的两个点之间都可以展开贸易活动。

询问一共有多少点对之间可以开展贸易活动。

时间限制：$\text{3s}$
空间限制：$\text{512MB}$

动态开点压位 Trie 合并？

先叨叨原题做法。维护一些点的虚树大小，支持虚树合并。可以直接线段树合并。
然后现在有一个压位 Trie，拉过来考虑。

因为是动态开点压位 Trie，所以每个点需要维护所有子节点的编号。每次合并需要把一棵树的子节点编号扔到另一棵树上。根据线段树合并的启发式做法，这玩意的复杂度是 $O(n \log_\omega n)$ 的。
但是空间复杂度有点问题，同一时刻最多是 $O(n\omega\log_\omega n)$ 个节点，不太行。
考虑一个树启。我们直接拿原重儿子的压位 Trie 过来，任意时刻只有 $O(\log n)$ 个压位 Trie，每个 Trie 只有 $O(\frac n\omega)$ 个点，总空间复杂度为 $O(n\log n)$。

posted @ 2022-11-30 12:39 joke3579 阅读(519) 评论(3) 编辑收藏举报

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Dr. Zhou

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