Дерево палиндромов

Дерево палиндромов — структура данных, позволяющая решить некоторые интересные задачи на палиндромы.

Эту структуру данных придумал Михаил Рубинчик и рассказал ее на летних сборах в Петрозаводске в 2014 году.

Описание структуры

Дерево палиндромов состоит из вершин. Каждая вершина соответствует палиндрому. Через [math]u.value[/math] будем обозначать строку, которой соответствует вершина [math]u[/math].

Ребра дерева палиндромов ориентированные и помечены символами. Ребро с символом [math]x[/math] из вершины [math]u[/math] в вершину [math]v[/math] означает, что [math]v.value=x+u.value+x[/math]. Тут [math]``+"[/math] означает конкатенацию строк.

Также в дереве палиндромов присутствуют суффиксные ссылки. Суффиксная ссылка из вершины [math]u[/math] ведет в вершину [math]w[/math], если [math]w.value[/math] является наибольшим суффиксом строки [math]u.value[/math].

Название структуры данных выбрано не совсем удачно, т.к. на самом деле она представляет из себя два дерева, однако суффиксные ссылки могут вести как в то же, так и в другое дерево. Это сделано для удобства реализации. Также в целях экономии памяти мы не будем хранить для каждой вершины соответствующую ей строку-палиндром. Вместо этого мы будем хранить только длину палиндрома.

Итак, у нас будет два дерева. Одно дерево для палиндромов четной длины, другое — для палиндромов нечетной длины. Каждое дерево будет иметь фиктивный корень. Обозначим корни четного и нечетного дерева соответственно [math]root_{even}[/math] и [math]root_{odd}[/math].

[math]root_{odd}[/math] будет соответствовать фиктивному палиндрому длины -1. Это нужно для того, чтобы не обрабатывать отдельно случай добавления палиндрома длины 1. Теперь каждый раз при добавлении новой вершины [math]u[/math] к вершине [math]v[/math] мы будем просто указывать ее длину равной [math]u.len = v.len + 2[/math].

[math]root_{even}[/math] будет соответствовать фиктивному палиндрому длины 0.

Также направим суффиксные ссылки обоих корней к вершине [math]root_{odd}[/math].

Построение

Будем обрабатывать строку символ за символом. Пусть мы уже обработали некоторый префикс [math]p[/math] и теперь хотим добавить следующий символ строки, назовем его [math]x[/math].

Будем также поддерживать максимальный палиндром-суффикс обработанного префикса [math]p[/math]. Назовем его [math]t[/math].

Т.к. [math]t[/math] находится в уже обработанной части строки, то ему соответствует какая-то вершина в дереве. У этой вершины есть суффиксная ссылка на какую-то другую вершину, у которой тоже есть суффиксная ссылка и т.д.

Найдем теперь палиндром-суффикс нового префикса, состоящего из [math]p[/math] и [math]x[/math]. Искомый палиндром-суффикс будет иметь вид [math]``xAx"[/math], где [math]A[/math] — это какая-то строка, возможно пустая (или фиктивный строка длины -1, соответствующая корню [math]root_{odd}[/math], если искомый палиндром-суффикс — это просто символ [math]x[/math]). Т.к. [math]xAx[/math] палиндром, то [math]A[/math] — тоже палиндром, и, более того, это суффикс строки [math]p[/math]. Поэтому он может быть достигнут из [math]t[/math] по суффиксным ссылкам.

Строка [math]xAx[/math] — это единственная подстрока-палиндром строки [math]p+x[/math], которой, возможно, нет в [math]p[/math] (все другие подстроки-палиндромы есть). Чтобы понять почему это так, нужно обратить внимание на то, что все новые подстроки-палиндромы, которых не было в [math]p[/math], должны оканчиваться на символ [math]x[/math], и поэтому должны быть палиндромом-суффиксом строки [math]p+x[/math]. Из-за того, что [math]xAx[/math] — наибольший палиндром-суффикс строки [math]p+x[/math], все остальные меньшие палиндромы-суффиксы этой строки уже есть в каком-то префиксе строки [math]xAx[/math] (т.к. для каждого суффикса палиндрома есть равный ему префикс) и, соответственно, уже есть в [math]p[/math].

Таким образом, чтобы обработать очередной символ [math]x[/math], нужно просто спуститься по суффиксным ссылкам строки [math]t[/math] до тех пор, пока мы не найдем подходящую строку [math]A[/math] (причем мы всегда можем найти такую строку, возможно длины -1, если очередная суффиксная ссылка будет вести в корень). Затем нужно проверить, есть ли уже ребро по символу [math]x[/math] из вершины, соответствующей [math]A[/math], и если нет, добавить это ребро в новую вершину [math]xAx[/math].

Теперь нужно добавить суффиксную ссылку из вершины [math]xAx[/math]. Если эта вершина уже существовала до добавления символа [math]x[/math], ничего делать не нужно — суффиксная ссылка итак указывает на правильную вершину. Иначе на нужно найти наибольший палиндром-суффикс строки [math]xAx[/math], который будет иметь вид [math]xBx[/math], где [math]B[/math] — это некоторая строка, возможно, пустая. Следуя той же логике, которую мы использовали раньше, [math]B[/math] — это палиндром-суффикс строки [math]p[/math] и может быть достигнут из [math]t[/math] по суффиксным ссылкам.

Оценка сложности

Память

Утверждение:

Каждая строка [math]s[/math] содержит не более [math]|s|[/math] подстрок-палиндромов.

Каждая вершина в дереве соответствует подпалиндрому, всего палиндромов в строке не более n. Поэтому дерево палиндромов занимает [math]O(n)[/math] памяти.

Время

Чтобы оценить временную сложность алгоритма, давайте посмотрим что происходит, когда мы строим дерево палиндромов. Можно заметить, что по мере того, как мы обрабатываем строку символ за символом, левая граница наибольшего палиндрома-суффикса уже обработанной строки сдвигается только вправо. Очевидно, эта граница может двигаться вправо не более [math]n[/math], где [math]n[/math] — длина строки, для которой мы строим дерево. То же самое относится и к левой границе той строки, на которую ведет суффиксная ссылка вновь добавленной вершины.

Таким образом, суммарное время работы построения алгоритма [math]O(n)[/math].

Источники

• Palindromic tree