求最近公共祖先(LCA)的各种算法

水一发题解。

我只是想存一下树剖LCA的代码......

以洛谷上的这个模板为例：P3379 【模板】最近公共祖先（LCA）

1.朴素LCA

就像做模拟题一样，先dfs找到基本信息：每个节点的父亲、深度。

把深的节点先往上跳。

深度相同了之后，一起往上跳。

最后跳到一起了就是LCA了。

预处理：O(n)

每次查询：O(n)

2.倍增LCA

朴素LCA的一种优化。

一点一点跳，显然太慢了。

如果要跳x次，可以把x转换为二进制。

每一位都是1或0，也就是跳或者不跳。

在第i位，如果跳，就向上跳2^(i-1)次。

至于跳或者不跳，判断很简单。

如果跳了之后还没在一起，就跳。

预处理：算出每个点上跳2ⁿ次后的位置。（已知上跳2⁰次的位置就是它的父亲）O(nlogn)

每次询问：O(logn)

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

int n,m,s;
int hd[500005],nx[1000005],to[1000005],cnt;

void add(int af,int at)
{
    to[++cnt]=at;
    nx[cnt]=hd[af];
    hd[af]=cnt;
}

int d[500005],f[500005][25];

void pre(int p,int fa)
{
    f[p][0]=fa;
    d[p]=d[fa]+1;
    for(int i=hd[p];i;i=nx[i])
    {
        if(to[i]!=fa)pre(to[i],p);
    }
}

int lca(int x,int y)
{
    if(d[x]<d[y])swap(x,y);
    for(int i=20;i>=0;i--)
    {
        if(d[f[x][i]]>=d[y])x=f[x][i];
    }
    if(x==y)return x;
    for(int i=20;i>=0;i--)
    {
        if(f[x][i]!=f[y][i])x=f[x][i],y=f[y][i];
    }
    return f[x][0];
}

int main()
{
    scanf("%d%d%d",&n,&m,&s);
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        int aa,bb;
        scanf("%d%d",&aa,&bb);
        add(aa,bb);
        add(bb,aa);
    }
    pre(s,0);
    for(int i=1;i<=20;i++)
    {
        for(int j=1;j<=n;j++)
        {
            f[j][i]=f[f[j][i-1]][i-1];
        }
    }
    for(int i=1;i<=m;i++)
    {
        int x,y;
        scanf("%d%d",&x,&y);
        printf("%d
",lca(x,y));
    }
    return 0;
}

3.欧拉序+RMQ

欧拉序，就是dfs时，无论是进入该点的子树，还是从该点的子树中出来，都记录一遍这个点。这样得到一个序列，就是欧拉序。

比如说点A为根，BCD为A的儿子的一颗简单的树，加上一个E作为C的儿子。

其欧拉序就是A B A C E C A D A

那么，任取两点，它们的LCA，就是欧拉序中，这两个点之间深度最小的点。

如果一个点在欧拉序中出现了多次，任取一个位置就好。

区间深度最小点，用RMQ。O(nlogn)预处理后，每次询问O(1)求出。

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

int m,n,ecnt,root;
int head[500005],nx[1000005],to[1000005];
int euler[1500005],eucnt,ps[1500005],high[1500005][25];
int fa[500005],dep[500005];
int log[1500005];

int add(int af,int at)
{
    to[++ecnt]=at;
    nx[ecnt]=head[af];
    head[af]=ecnt;
}

void dfs(int pos,int fat)
{
    dep[pos]=dep[fat]+1;
    euler[++eucnt]=pos;
    ps[pos]=eucnt;
    fa[pos]=fat;
    for(int i=head[pos];i;i=nx[i])
    {
        if(to[i]!=fat)
        {
            dfs(to[i],pos);
            euler[++eucnt]=pos;
        }
    }
}

void prelca()
{
    for(int i=2;i<=3*n;i++)log[i]=log[i/2]+1;
    for(int i=1;i<=eucnt;i++)high[i][0]=euler[i];
    for(int i=1;i<=27;i++)
    {
        for(int j=1;j+(1<<i)-1<=eucnt;j++)
        {
            if(dep[high[j][i-1]]>dep[high[j+(1<<(i-1))][i-1]])
                high[j][i]=high[j+(1<<(i-1))][i-1];
            else
                high[j][i]=high[j][i-1];
        }
    }
}

int lca(int x,int y)
{
    int ll=ps[x];
    int rr=ps[y];
    if(ll>rr)int t=ll; ll=rr; rr=t;
    int len=rr-ll+1;
    if(dep[high[ll][log[len]]]>dep[high[rr-(1<<log[len])+1][log[len]]])
        return high[rr-(1<<log[len])+1][log[len]];
    else
        return high[ll][log[len]];
}

int main()
{
    scanf("%d%d%d",&n,&m,&root);
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        int a,b;
        scanf("%d%d",&a,&b);
        add(a,b);
        add(b,a);
    }
    dfs(root,0);
    prelca();
    for(int i=1;i<=m;i++)
    {
        int q,w;
        scanf("%d%d",&q,&w);
        printf("%d
",lca(q,w));
    }
    return 0;
}

4.树链剖分

把树分成轻链和重链。

先一遍dfs找到重儿子，即子树最大的儿子。

每个点与重儿子的连边组成重链。

第二遍dfs记录每个点的tp值：所在重链的顶端。

如果在轻链上，tp就是它自己。

求LCA；类似倍增。

让tp较深的点上跳，跳到fa[tp]。

最后tp[x]==tp[y]的时候，二者在同一重链上，LCA即为深度较浅的那个点。

预处理：O(n)

每次询问：O(logn)

#include<cstdio>

int hd[500005],to[1000005],nx[1000005],cnt;
int hs[500005],tp[500005],f[500005],d[500005],sz[500005];

int n,m,s;

void add(int af,int at)
{
    to[++cnt]=at;
    nx[cnt]=hd[af];
    hd[af]=cnt;
}

void dfs(int p,int fa)
{
    f[p]=fa;
    d[p]=d[fa]+1;
    sz[p]=1;
    for(int i=hd[p];i;i=nx[i])
    {
        if(to[i]==fa)continue;
        dfs(to[i],p);
        sz[p]+=sz[to[i]];
        if(sz[to[i]]>sz[hs[p]])hs[p]=to[i];
    }
}

void findtp(int p)
{
    if(p==hs[f[p]])tp[p]=tp[f[p]];
    else tp[p]=p;
    for(int i=hd[p];i;i=nx[i])
        if(to[i]!=f[p])findtp(to[i]);
}

int lca(int a,int b)
{
    while(tp[a]!=tp[b])d[tp[a]]>d[tp[b]]?a=f[tp[a]]:b=f[tp[b]];
    return d[a]<d[b]?a:b;
}

int main()
{
    scanf("%d%d%d",&n,&m,&s);
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        int x,y;
        scanf("%d%d",&x,&y);
        add(x,y);
        add(y,x);
    }
    dfs(s,0);
    findtp(s);
    for(int i=1;i<=m;i++)
    {
        int a,b;
        scanf("%d%d",&a,&b);
        printf("%d
",lca(a,b));
    }
    return 0;
}

5.离线tarjan

（待填坑）

6.欧拉序+约束RMQ

洛谷上的玄学操作。应该是欧拉序+RMQ的优化。

把原欧拉序分块，块内预处理，块间ST表。（我并不知道ST表是什么......）

摘自洛谷题解：

分块大小定为L=log(n)/2，这样共分D=n/L块，对这D个数（块内最小值）做正常ST表，建表复杂度O(Dlog(D))=O((n/L)(log(n)-log(L))=O(n)

我们要保证每个步骤都是O(n)的，log(n)/2的块正好消去了ST建表时的log

但在此之前，我们得处理出块内的最小值，该怎么做呢？一个正常想法就是枚举每个数，一共是O(n)复杂度

但是，这样做虽然留下了每块的最小值以及其取到的位置，若考虑查询块的一个区间，而这个区间恰好取不到最小值，这时候只能暴力枚举，就破坏了查询O(1)了

至此我们仍没有使用其±1的特殊性质，现在考虑一下。

块内一共log(n)/2个数，由乘法原理可知，本质不同的块有U=2^(log(n)/2)=n^(1/2)个，我们不妨处理出每个这种块，复杂度Ulog(n)/2，这个函数增长是小于线性的，可以认为是O(n)

这样，处理出每个块内两元素的大小关系，就可以用01唯一表示一个块了，可以用二进制存下来，作为一个块的特征，这一步复杂度O(n)

这样有一个好处，即使查询块内一个区间，我们只需要提取这个区间对应的二进制数，就可以在预处理的数组中O(1)查询了

(怎么做呢？把这段二进制数提出来，移到最右边，由于我们规定0表示小于，1表示大于，所以会贪心地选取前面的数，查表减去偏移量就可以了)

查询时，类似分块，边角的块直接查表，中间部分ST表查询，查询是O(1)的。

至此我们完成了O(n)建表，O(1)查询的约束RMQ。

一般地，对于任何一个序列，可以在O(n)时间内建成一颗笛卡尔树，把查询该序列RMQ转化为求笛卡尔树LCA，就变成O(1)的了。

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