最近公共祖先

简介

首先是最近公共祖先的概念(什么是最近公共祖先？)：

在一棵没有环的树上，每个节点肯定有其父亲节点和祖先节点，而最近公共祖先，就是两个节点在这棵树上深度最大的公共的祖先节点。

换句话说，就是两个点在这棵树上距离最近的公共祖先节点。

所以LCA主要是用来处理当两个点仅有唯一一条确定的最短路径时的路径。

有人可能会问：那他本身或者其父亲节点是否可以作为祖先节点呢？

答案是肯定的，很简单，按照人的亲戚观念来说，你的父亲也是你的祖先，而LCA还可以将自己视为祖先节点。

举个例子吧，如下图所示4和5的最近公共祖先是2，5和3的最近公共祖先是1，2和1的最近公共祖先是1。　

下文中的模板将会以bfs``dfs``tarjan作为示例。

模板

祖孙询问

给定一棵包含 n 个节点的有根无向树，节点编号互不相同，但不一定是 1∼n。

有 m 个询问，每个询问给出了一对节点的编号 x 和 y，询问 x 与 y 的祖孙关系。

输入格式
输入第一行包括一个整数 表示节点个数；

接下来 n 行每行一对整数 a 和 b，表示 a 和 b 之间有一条无向边。如果 b 是 −1，那么 a 就是树的根；

第 n+2 行是一个整数 m 表示询问个数；

接下来 m 行，每行两个不同的正整数 x 和 y，表示一个询问。

输出格式
对于每一个询问，若 x 是 y 的祖先则输出 1，若 y 是 x 的祖先则输出 2，否则输出 0。

数据范围
1≤n,m≤4×104,
1≤每个节点的编号≤4×104
输入样例：
10
234 -1
12 234
13 234
14 234
15 234
16 234
17 234
18 234
19 234
233 19
5
234 233
233 12
233 13
233 15
233 19
输出样例：
1
0
0
0
2

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

const int N = 40010, M = N * 2;

int n, m;
int h[N], e[M], ne[M], idx;
int depth[N], fa[N][16];
int q[N];

void add(int a, int b)
{
    e[idx] = b, ne[idx] = h[a], h[a] = idx ++ ;
}

void bfs(int root)
{
    memset(depth, 0x3f, sizeof depth);
    depth[0] = 0, depth[root] = 1;
    int hh = 0, tt = 0;
    q[0] = root;
    while (hh <= tt)
    {
        int t = q[hh ++ ];
        for (int i = h[t]; ~i; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (depth[j] > depth[t] + 1)
            {
                depth[j] = depth[t] + 1;
                q[ ++ tt] = j;
                fa[j][0] = t;
                for (int k = 1; k <= 15; k ++ )
                    fa[j][k] = fa[fa[j][k - 1]][k - 1];
            }
        }
    }
}

int lca(int a, int b)
{
    if (depth[a] < depth[b]) swap(a, b);
    for (int k = 15; k >= 0; k -- )
        if (depth[fa[a][k]] >= depth[b])
            a = fa[a][k];
    if (a == b) return a;
    for (int k = 15; k >= 0; k -- )
        if (fa[a][k] != fa[b][k])
        {
            a = fa[a][k];
            b = fa[b][k];
        }
    return fa[a][0];
}

int main()
{
    scanf("%d", &n);
    int root = 0;
    memset(h, -1, sizeof h);

    for (int i = 0; i < n; i ++ )
    {
        int a, b;
        scanf("%d%d", &a, &b);
        if (b == -1) root = a;
        else add(a, b), add(b, a);
    }

    bfs(root);

    scanf("%d", &m);
    while (m -- )
    {
        int a, b;
        scanf("%d%d", &a, &b);
        int p = lca(a, b);
        if (p == a) puts("1");
        else if (p == b) puts("2");
        else puts("0");
    }

    return 0;
}

询问距离

给出 n 个点的一棵树，多次询问两点之间的最短距离。

注意：

边是无向的。
所有节点的编号是 1,2,…,n。
输入格式
第一行为两个整数 n 和 m。n 表示点数，m 表示询问次数；

下来 n−1 行，每行三个整数 x,y,k，表示点 x 和点 y 之间存在一条边长度为 k；

再接下来 m 行，每行两个整数 x,y，表示询问点 x 到点 y 的最短距离。

树中结点编号从 1 到 n。

输出格式
共 m 行，对于每次询问，输出一行询问结果。

数据范围
2≤n≤104,
1≤m≤2×104,
0<k≤100,
1≤x,y≤n
输入样例1：
2 2 
1 2 100 
1 2 
2 1
输出样例1：
100
100
输入样例2：
3 2
1 2 10
3 1 15
1 2
3 2
输出样例2：
10
25

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>

using namespace std;

typedef pair<int, int> PII;

const int N = 10010, M = N * 2;

int n, m;
int h[N], e[M], w[M], ne[M], idx;
int dist[N];
int p[N];
int res[M];
int st[N];
vector<PII> query[N];   // first存查询的另外一个点，second存查询编号

void add(int a, int b, int c)
{
    e[idx] = b, w[idx] = c, ne[idx] = h[a], h[a] = idx ++ ;
}

void dfs(int u, int fa)
{
    for (int i = h[u]; ~i; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (j == fa) continue;
        dist[j] = dist[u] + w[i];
        dfs(j, u);
    }
}

int find(int x)
{
    if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
    return p[x];
}

void tarjan(int u)
{
    st[u] = 1;
    for (int i = h[u]; ~i; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (!st[j])
        {
            tarjan(j);
            p[j] = u;
        }
    }

    for (auto item : query[u])
    {
        int y = item.first, id = item.second;
        if (st[y] == 2)
        {
            int anc = find(y);
            res[id] = dist[u] + dist[y] - dist[anc] * 2;
        }
    }

    st[u] = 2;
}

int main()
{
    scanf("%d%d", &n, &m);
    memset(h, -1, sizeof h);
    for (int i = 0; i < n - 1; i ++ )
    {
        int a, b, c;
        scanf("%d%d%d", &a, &b, &c);
        add(a, b, c), add(b, a, c);
    }

    for (int i = 0; i < m; i ++ )
    {
        int a, b;
        scanf("%d%d", &a, &b);
        if (a != b)
        {
            query[a].push_back({b, i});
            query[b].push_back({a, i});
        }
    }

    for (int i = 1; i <= n; i ++ ) p[i] = i;

    dfs(1, -1);
    tarjan(1);

    for (int i = 0; i < m; i ++ ) printf("%d\n", res[i]);

    return 0;
}

次小生成树

给定一张 N 个点 M 条边的无向图，求无向图的严格次小生成树。

设最小生成树的边权之和为 sum，严格次小生成树就是指边权之和大于 sum 的生成树中最小的一个。

输入格式
第一行包含两个整数 N 和 M。

接下来 M 行，每行包含三个整数 x，y，z，表示点 x 和点 y 之前存在一条边，边的权值为 z。

输出格式
包含一行，仅一个数，表示严格次小生成树的边权和。(数据保证必定存在严格次小生成树)

数据范围
N≤105,M≤3×105
输入样例：
5 6
1 2 1
1 3 2
2 4 3
3 5 4
3 4 3
4 5 6
输出样例：
11

给定一张 N 个点 M 条边的无向图，求无向图的严格次小生成树。

设最小生成树的边权之和为 sum，严格次小生成树就是指边权之和大于 sum 的生成树中最小的一个。

输入格式
第一行包含两个整数 N 和 M。

接下来 M 行，每行包含三个整数 x，y，z，表示点 x 和点 y 之前存在一条边，边的权值为 z。

输出格式
包含一行，仅一个数，表示严格次小生成树的边权和。(数据保证必定存在严格次小生成树)

数据范围
N≤105,M≤3×105
输入样例：
5 6
1 2 1
1 3 2
2 4 3
3 5 4
3 4 3
4 5 6
输出样例：
11

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

typedef long long LL;

const int N = 100010, M = 300010, INF = 0x3f3f3f3f;

int n, m;
struct Edge
{
    int a, b, w;
    bool used;
    bool operator< (const Edge &t) const
    {
        return w < t.w;
    }
}edge[M];
int p[N];
int h[N], e[M], w[M], ne[M], idx;
int depth[N], fa[N][17], d1[N][17], d2[N][17];
int q[N];

void add(int a, int b, int c)
{
    e[idx] = b, w[idx] = c, ne[idx] = h[a], h[a] = idx ++ ;
}

int find(int x)
{
    if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
    return p[x];
}

LL kruskal()
{
    for (int i = 1; i <= n; i ++ ) p[i] = i;
    sort(edge, edge + m);
    LL res = 0;
    for (int i = 0; i < m; i ++ )
    {
        int a = find(edge[i].a), b = find(edge[i].b), w = edge[i].w;
        if (a != b)
        {
            p[a] = b;
            res += w;
            edge[i].used = true;
        }
    }

    return res;
}

void build()
{
    memset(h, -1, sizeof h);
    for (int i = 0; i < m; i ++ )
        if (edge[i].used)
        {
            int a = edge[i].a, b = edge[i].b, w = edge[i].w;
            add(a, b, w), add(b, a, w);
        }
}

void bfs()
{
    memset(depth, 0x3f, sizeof depth);
    depth[0] = 0, depth[1] = 1;
    q[0] = 1;
    int hh = 0, tt = 0;
    while (hh <= tt)
    {
        int t = q[hh ++ ];
        for (int i = h[t]; ~i; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (depth[j] > depth[t] + 1)
            {
                depth[j] = depth[t] + 1;
                q[ ++ tt] = j;
                fa[j][0] = t;
                d1[j][0] = w[i], d2[j][0] = -INF;
                for (int k = 1; k <= 16; k ++ )
                {
                    int anc = fa[j][k - 1];
                    fa[j][k] = fa[anc][k - 1];
                    int distance[4] = {d1[j][k - 1], d2[j][k - 1], d1[anc][k - 1], d2[anc][k - 1]};
                    d1[j][k] = d2[j][k] = -INF;
                    for (int u = 0; u < 4; u ++ )
                    {
                        int d = distance[u];
                        if (d > d1[j][k]) d2[j][k] = d1[j][k], d1[j][k] = d;
                        else if (d != d1[j][k] && d > d2[j][k]) d2[j][k] = d;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

int lca(int a, int b, int w)
{
    static int distance[N * 2];
    int cnt = 0;
    if (depth[a] < depth[b]) swap(a, b);
    for (int k = 16; k >= 0; k -- )
        if (depth[fa[a][k]] >= depth[b])
        {
            distance[cnt ++ ] = d1[a][k];
            distance[cnt ++ ] = d2[a][k];
            a = fa[a][k];
        }
    if (a != b)
    {
        for (int k = 16; k >= 0; k -- )
            if (fa[a][k] != fa[b][k])
            {
                distance[cnt ++ ] = d1[a][k];
                distance[cnt ++ ] = d2[a][k];
                distance[cnt ++ ] = d1[b][k];
                distance[cnt ++ ] = d2[b][k];
                a = fa[a][k], b = fa[b][k];
            }
        distance[cnt ++ ] = d1[a][0];
        distance[cnt ++ ] = d1[b][0];
    }

    int dist1 = -INF, dist2 = -INF;
    for (int i = 0; i < cnt; i ++ )
    {
        int d = distance[i];
        if (d > dist1) dist2 = dist1, dist1 = d;
        else if (d != dist1 && d > dist2) dist2 = d;
    }

    if (w > dist1) return w - dist1;
    if (w > dist2) return w - dist2;
    return INF;
}

int main()
{
    scanf("%d%d", &n, &m);
    for (int i = 0; i < m; i ++ )
    {
        int a, b, c;
        scanf("%d%d%d", &a, &b, &c);
        edge[i] = {a, b, c};
    }

    LL sum = kruskal();
    build();
    bfs();

    LL res = 1e18;
    for (int i = 0; i < m; i ++ )
        if (!edge[i].used)
        {
            int a = edge[i].a, b = edge[i].b, w = edge[i].w;
            res = min(res, sum + lca(a, b, w));
        }
    printf("%lld\n", res);

    return 0;
}

黑暗连锁

传说中的暗之连锁被人们称为 Dark。

Dark 是人类内心的黑暗的产物，古今中外的勇者们都试图打倒它。

经过研究，你发现 Dark 呈现无向图的结构，图中有 N 个节点和两类边，一类边被称为主要边，而另一类被称为附加边。

Dark 有 N–1 条主要边，并且 Dark 的任意两个节点之间都存在一条只由主要边构成的路径。

另外，Dark 还有 M 条附加边。

你的任务是把 Dark 斩为不连通的两部分。

一开始 Dark 的附加边都处于无敌状态，你只能选择一条主要边切断。

一旦你切断了一条主要边，Dark 就会进入防御模式，主要边会变为无敌的而附加边可以被切断。

但是你的能力只能再切断 Dark 的一条附加边。

现在你想要知道，一共有多少种方案可以击败 Dark。

注意，就算你第一步切断主要边之后就已经把 Dark 斩为两截，你也需要切断一条附加边才算击败了 Dark。

输入格式
第一行包含两个整数 N 和 M。

之后 N–1 行，每行包括两个整数 A 和 B，表示 A 和 B 之间有一条主要边。

之后 M 行以同样的格式给出附加边。

输出格式
输出一个整数表示答案。

数据范围
N≤100000,M≤200000，数据保证答案不超过231−1
输入样例：
4 1
1 2
2 3
1 4
3 4
输出样例：
3

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

const int N = 100010, M = N * 2;

int n, m;
int h[N], e[M], ne[M], idx;
int depth[N], fa[N][17];
int d[N];
int q[N];
int ans;

void add(int a, int b)
{
    e[idx] = b, ne[idx] = h[a], h[a] = idx ++ ;
}

void bfs()
{
    memset(depth, 0x3f, sizeof depth);
    depth[0] = 0, depth[1] = 1;
    int hh = 0, tt = 0;
    q[0] = 1;

    while (hh <= tt)
    {
        int t = q[hh ++ ];
        for (int i = h[t]; ~i; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (depth[j] > depth[t] + 1)
            {
                depth[j] = depth[t] + 1;
                q[ ++ tt] = j;
                fa[j][0] = t;
                for (int k = 1; k <= 16; k ++ )
                    fa[j][k] = fa[fa[j][k - 1]][k - 1];
            }
        }
    }
}

int lca(int a, int b)
{
    if (depth[a] < depth[b]) swap(a, b);
    for (int k = 16; k >= 0; k -- )
        if (depth[fa[a][k]] >= depth[b])
            a = fa[a][k];
    if (a == b) return a;
    for (int k = 16; k >= 0; k -- )
        if (fa[a][k] != fa[b][k])
        {
            a = fa[a][k];
            b = fa[b][k];
        }
    return fa[a][0];
}

int dfs(int u, int father)
{
    int res = d[u];
    for (int i = h[u]; ~i; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (j != father)
        {
            int s = dfs(j, u);
            if (s == 0) ans += m;
            else if (s == 1) ans ++ ;
            res += s;
        }
    }

    return res;
}

int main()
{
    scanf("%d%d", &n, &m);
    memset(h, -1, sizeof h);
    for (int i = 0; i < n - 1; i ++ )
    {
        int a, b;
        scanf("%d%d", &a, &b);
        add(a, b), add(b, a);
    }

    bfs();

    for (int i = 0; i < m; i ++ )
    {
        int a, b;
        scanf("%d%d", &a, &b);
        int p = lca(a, b);
        d[a] ++, d[b] ++, d[p] -= 2;
    }
    dfs(1, -1);
    printf("%d\n", ans);

    return 0;
}