Beyond the Void
BYVoid
WC2010 重建计划

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

  1. 求出当前树的重心,对当前树进行点剖分。

  2. 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。

  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。

  4. 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。

  5. 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

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