问题简述
给定一棵边上带权的树,求一个平均价值最大的简单路径。路径的平均价值定义为路径的带权长度与不带权长度的比值。
问题分析
在一棵树上直接找这样的路径是很困难的,因此我们考虑将问题分解。一个基本的想法是在树上分治,为保证对数级别的时间复杂度,必须使用基于点的剖分[1]。每次找到树的重心[2]作为根节点,然后将根节点的子树平均分为两部分,两部分共用根节点。对每一部递归求解,然后把这两部分合并。求树的重心的方法是随便找一个根,求出每个子树的大小,找到max{i.child.size,N-i.size}最小的i,i就是树的重心。重心可能有多个,找一个即可。
对于一个分治的局面,每一部分都是当前根节点的一些子树组成的森林,再加上根节点,所以每一部分仍然是一棵树。最优的路径可能在某一个分治的部分中,也可能跨过根节点在两个部分中。前者可以直接递归下去求解,重点是处理后者的情况。这时需要做的一个重要转化是二分答案,由于答案的范围是已知的,我们可以在答案的范围内二分答案的值A,然后把树上每一条边的权值都减去A。判断有解的方法也就变成了判断是否存在一条带权长度大于等于0的路径,继续转化就是,判断最长的带权路径的带权长度是否大于等于0。
如何找出跨两部分的最长带权路径呢?由于路径的长度必须满足在[L,U]之间,简单的想法是在一个部分中枚举路径的一个端点的深度i,那么这条路径的另一端在另一个部分中的深度一定是在[L-i,U-i]之间。为保证路径最长,第一个部分中深度为i的一段显然应该是这个部分中深度为i的所有路径中带权长度最大的那一条,第二部分也同理,不过要枚举深度在[L-i,U-i]的最大值。如果我们确定i的枚举顺序以后,[L-i,U-i]区间的移动就是单调的,因此可以用单调队列维护最大值,因此时间复杂度就是线性的。
算法描述
-
求出当前树的重心,对当前树进行点剖分。
-
二分当前树中平均长度最大值A,判断二分范围是否满足精度,如果满足转到步骤5,否则转到步骤3。
-
将树上所有边权值减去A,求出剖分的两部分每个深度上的最长带权路径长度。
-
用单调队列维护,求出跨两部分的带权路径长度最大值,判断该值是否大于等于0,转到步骤2。
-
对剖分的两部分分别递归求解,如果这一部分大小大于等于L的话。
复杂度分析
对树点剖分的时间复杂度为O(logN),求重心的时间复杂度为O(N),二分答案时间复杂度为O(logV),求带权路径长度最大值时间复杂度为O(N),因此总时间复杂度为O(NlogNlogV)。
参考程序
/*
* Problem: NOI Winter Camp 2010 Rebuild
* Author: Guo Jiabao
* Time: 2010.3.12 14:01
* Label: Solved
* Memo: Binary Search + Monoqueue + Devide & Conquer on tree
*/
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <vector>
#include <list>
#include <deque>
#include <string>
#include <queue>
using namespace std;
#define var(a,b) typeof(b) a(b)
#define foreach(a,b) for (var(a,b.begin());a!=b.end();++a)
const int MAXN = 100001,MAXM=MAXN*2,INF=~0U>>1;
const double LIM=1e6,FINF = 1e20;
struct Monoqueue
{
struct element
{
int key;
double value;
}Q[MAXN];
int head,rear;
void reset()
{
rear = 0;
head = 1;
}
void insert(int k,double v)
{
while (rear >= head && v > Q[rear].value)
rear--;
Q[++rear].value = v;
Q[rear].key = k;
}
int getmax(int L)
{
while (Q[head].key < L)
head++;
return Q[head].key;
}
}MQ;
struct edge
{
edge *next;
int t,c;
};
int N,L,U,EC,timestamp,Total;
int t_ctd,t_ctd_csm,md1,md2,*t_maxdpt;
int size[MAXN],depth[MAXN];
double length[MAXN],d1m[MAXN],d2m[MAXN],*t_dm;
edge *V[MAXN],ES[MAXM];
int ava[MAXN];
double Ans,t_delta;
inline void addedge(int a,int b,int c)
{
edge *e=ES+ ++EC;
e->next = V[a];
e->t = b;
e->c = c;
V[a] = e;
}
void init()
{
freopen("rebuild.in","r",stdin);
freopen("rebuild.out","w",stdout);
scanf("%d%d%d",&N,&L,&U);
for (int i=1;i<N;i++)
{
int a,b,c;
scanf("%d%d%d",&a,&b,&c);
addedge(a,b,c);
addedge(b,a,c);
if (L == 1 && c > Ans)
Ans = c;
}
}
void get_depth(int i)
{
for (edge *e=V[i];e;e=e->next)
{
int j = e->t;
if (ava[j] != 0) continue;
if (depth[j] == -1)
{
depth[j] = depth[i] + 1;
get_depth(j);
}
}
}
int get_longest_line(int start)
{
int i,maxdepth;
memset(depth,-1,sizeof(depth));
depth[start] = maxdepth = 0;
get_depth(start);
for (i=1;i<=N;i++)
if (ava[i] == 0 && depth[i] > maxdepth)
{
maxdepth = depth[i];
start = i;
}
memset(depth,-1,sizeof(depth));
depth[start] = maxdepth = 0;
get_depth(start);
for (i=1;i<=N;i++)
if (ava[i] == 0 && depth[i] > maxdepth)
maxdepth = depth[i];
return maxdepth;
}
void get_size(int i)
{
int csm = 0;
size[i] = 1;
for (edge *e=V[i];e;e=e->next)
{
int j = e->t;
if (ava[j] != 0) continue;
if (size[j] == -1)
{
get_size(j);
size[i] += size[j];
if (size[j] > csm)
csm = size[j];
}
}
if (Total - size[i] > csm)
csm = Total - size[i];
if (csm < t_ctd_csm)
{
t_ctd_csm = csm;
t_ctd = i;
}
}
int get_centroid(int i)
{
memset(size,-1,sizeof(size));
t_ctd_csm = INF;
get_size(i);
memset(size,-1,sizeof(size));
return t_ctd;
}
void count_size(int i)
{
size[i] = 1;
for (edge *e=V[i];e;e=e->next)
{
int j = e->t;
if (ava[j] != 0) continue;
if (size[j] == -1)
{
count_size(j);
size[i] += size[j];
}
}
}
void count_depth_max_length(int i)
{
//求最大深度
if (depth[i] > *t_maxdpt)
*t_maxdpt = depth[i];
for (edge *e=V[i];e;e=e->next)
{
int j = e->t;
if (ava[j] != 0) continue;
//求該深度最大帶權長度
if (length[i] > t_dm[depth[i]])
t_dm[depth[i]] = length[i];
if (depth[j] == -1)
{
length[j] = length[i] + e->c - t_delta;
depth[j] = depth[i] + 1;
count_depth_max_length(j);
}
}
}
bool check(double delta,int ctd,edge *f)
{
edge *e;
int i,j,k;
for (i=0;i<=N;i++)
d1m[i] = d2m[i] = -FINF;
t_delta = delta;
memset(depth,-1,sizeof(depth));
memset(length,-1,sizeof(length));
md1 = md2 = 0;
length[ctd] = depth[ctd] = 0;
//統計部份1
t_dm = d1m;
t_maxdpt = &md1;
for (e=V[ctd];e != f;e=e->next)
{
int j=e->t;
if (ava[j] !=0) continue;
length[j] = e->c - t_delta;
depth[j] = 1;
count_depth_max_length(j);
}
//統計部份2
t_dm = d2m;
t_maxdpt = &md2;
for (e=f;e;e=e->next)
{
int j=e->t;
if (ava[j] !=0) continue;
length[j] = e->c - t_delta;
depth[j] = 1;
count_depth_max_length(j);
}
//單調隊列維護最大值
//確定左邊界
i = U-1;
if (i > md1)
i = md1;
//確定右邊界
k = L-i;
if (k < 1)
k = 1;
MQ.reset();
for (j=k;j<U-i && j<=md2 ;j++)
MQ.insert(j,d2m[j]);
double curv,maxv=-INF;
for (;i>0 && L-i<=md2;i--)
{
j = U-i;
if (j<=md2)
MQ.insert(j,d2m[j]);
int k = MQ.getmax(L-i);
curv = d1m[i] + d2m[k];
if (curv > maxv)
maxv = curv;
}
return maxv >= 0;
}
double binary(int ctd,edge *f)
{
double a=0,b=LIM,m;
while (b - a >= 0.0001)
{
m = (a+b)/2;
if (check(m,ctd,f))
a = m;
else
b = m;
}
return a;
}
void dct(int start)
{
int nowt = ++timestamp;
int line = get_longest_line(start);
if (line<=L || line<=2)
return;
int ctd = get_centroid(start); //取得重心
double cur;
//分割兩部份
count_size(ctd);
int pls = 0,pls2 = 0;
edge *e,*f;
for (e=V[ctd];e;e=e->next)
{
int j=e->t;
if (ava[j] !=0) continue;
pls += size[j];
if (pls + pls + 1 >= size[ctd] - 1)
{
f = e->next;
pls2 = size[ctd] - pls;
pls++;
break;
}
}
//合併兩部份
cur = binary(ctd,f);
if (cur > Ans)
Ans = cur;
//遞歸部份1
int j;
if (pls-1 >= L)
{
for (e=f;e;e=e->next)
if (ava[j=e->t] ==0)
ava[j] = nowt;
Total = pls;
dct(ctd);
for (edge *e=f;e;e=e->next)
if (ava[j=e->t] ==nowt)
ava[j] = 0;
}
//遞歸部份2
if (pls2-1 >= L)
{
for (e=V[ctd];e!=f;e=e->next)
if (ava[j=e->t] ==0)
ava[j] = nowt;
Total = pls2;
dct(ctd);
for (e=V[ctd];e!=f;e=e->next)
if (ava[j=e->t] ==nowt)
ava[j] = 0;
}
}
void solve()
{
memset(ava,0,sizeof(ava));
Total = N;
dct(1);
}
int main()
{
init();
solve();
printf("%.3lf\n",Ans);
return 0;
}
</>[1] 具体证明参见2009年集训队论文《分治算法在树的路径问题中的应用》。
[2] 树的重心就是满足“删除该点后,剩余的最大的子树顶点数最少”的点。
上次修改时间 2017-05-22