Дерево палиндромов

2017-05-09T11:44:14Z

46.17.201.77:

'''Дерево палиндромов''' (англ. ''palindromic tree'') {{---}} структура данных, позволяющая решить некоторые интересные задачи на палиндромы.

Эту структуру данных придумал Михаил Рубинчик<ref name="ref1">[http://codeforces.com/profile/MikhailRubinchik Codeforces {{---}} MikhailRubinchik]</ref> и рассказал её на летних сборах в Петрозаводске в 2014 году. Наиболее подробное о дереве палиндромов или овердреве (palindromic tree, eertreee) можно прочитать в диссертации Михаил Рубинчика [http://www.pdmi.ras.ru/pdmi/dissertatiton/2016-05-25t000000-%D1%80%D1%83%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D1%87%D0%B8%D0%BA-%D0%BC%D0%B8%D1%85%D0%B0%D0%B8%D0%BB-%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87]

== Описание структуры ==
[[Дерево,_эквивалентные_определения|Дерево]] палиндромов состоит из вершин, каждая из которых соответствует палиндрому. Все вершины соответствуют разным палиндромам. Через <tex>u'</tex> будем обозначать строку, которой соответствует вершина <tex>u</tex>.
[[Основные_определения_теории_графов#def_graph_edge_1|Рёбра]] дерева палиндромов ориентированные и помечены символами. Ребро с символом <tex>x</tex> ведет из вершины <tex>u</tex> в вершину <tex>v</tex> тогда и только тогда, когда <tex>v'=xu'x</tex>.

[[Файл:palindrome_tree_nodes.png|Пример четырех вершин дерева палиндромов|border]] [[Файл:palindrome_tree_edge.png|В данном примере мы получаем палиндром aba добавлением символа a к обоим сторонам палиндрома b|border]]

Стоит обратить внимание на то, что название структуры данных выбрано не совсем удачно. На самом деле структура представляет из себя два дерева {{---}} одно для палиндромов чётной длины, другое для палиндромов нечётной длины. Обозначим корни этих деревьев за <tex>root_{even}</tex> и <tex>root_{odd}</tex> соответственно.

Помимо вершин и рёбер в дереве палиндромов также присутствуют ''суффиксные ссылки''. Для каждой вершины <tex>u</tex> её суффиксная ссылка ведет в такую вершину <tex>w</tex>, что <tex>w'</tex> является наибольшим суффиксом строки <tex>u'</tex> относительно других вершин. При этом важно понимать, что суффиксная ссылка из вершины одного дерева может вести как в то же, так и в другое дерево.

[[Файл:palindrome_tree_suffix_link.png|Мы добавили суффиксную ссылку (пунктирная линия) из aba к a потому, что a является наибольшим паллиндромом-суффиксом строки aba|border]]

При реализации в целях экономии памяти мы не будем хранить для каждой вершины соответствующую ей строку-палиндром. Этот подход был бы неэффективным с точки зрения памяти. Вместо этого мы будем хранить только длину палиндрома (и для некоторых задач позицию палиндрома в строке).

Итак, структура будет состоять из двух деревьев и, соответственно, двух корней. Для удобства реализации каждый корень будет соответствовать фиктивной строке.
* <tex>root_{odd}</tex> будет соответствовать палиндрому длины <tex>-1</tex>. Это нужно для того, чтобы не обрабатывать отдельно случай добавления палиндрома длины <tex>1</tex>. Теперь каждый раз при добавлении ребра из вершины <tex>u</tex> к вершине <tex>v</tex>, мы будем просто считать что <tex>|v'|=|u'| + 2</tex>.
* <tex>root_{even}</tex> будет соответствовать фиктивному палиндрому длины <tex>0</tex>.

Суффиксные ссылки обоих корней будут вести к вершине <tex>root_{odd}</tex>. Это соглашение нужно также для удобства реализации {{---}} теперь каждая вершина имеет суффиксную ссылку.

== Построение ==
Опишем далее по шагам процесс построения дерева палиндромов для данной строки. Изначально оно состоит из двух фиктивных вершин, а далее будет достраиваться инкрементально после каждого рассмотренного символа строки.

{| style="background-color:#CCC;margin:0.5px"
|-
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"|Будем обрабатывать строку символ за символом. Пусть мы уже обработали некоторый префикс <tex>p</tex> и теперь хотим добавить следующий символ строки, назовем его <tex>x</tex>.
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"|[[Файл:palindrome_tree_build1.png|500px]]
|-
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"|Будем также поддерживать максимальный палиндром-суффикс обработанного префикса <tex>p</tex>. Назовем его <tex>t</tex>.
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"|[[Файл:palindromic_tree_nodes.png|500px]]
|-
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"|Т.к. <tex>t</tex> 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.
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"|[[Файл:palindrome_tree_build3.png|500px|Цепочка суффиксных ссылок из t]]
|-
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"|Найдем теперь палиндром-суффикс строки <tex>px</tex> (т.е. нового префикса). Искомая строка будет иметь вид <tex>xAx</tex>, где <tex>A</tex> {{---}} какая-то строка, возможно пустая (или фиктивная строка длины <tex>-1</tex>, соответствующая корню <tex>root_{odd}</tex>, если искомый палиндром-суффикс {{---}} это просто символ <tex>x</tex>).
Т.к. <tex>xAx</tex> {{---}} палиндром, то <tex>A</tex> {{---}} тоже палиндром, и, более того, это суффикс строки <tex>p</tex>. Поэтому он может быть достигнут из <tex>t</tex> по суффиксным ссылкам.
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"|[[Файл:palindrome_tree_build4.png|500px]]
|}

{{Утверждение
|author=1
|statement=
Строка <tex>xAx</tex> {{---}} это единственная подстрока-палиндром строки <tex>px</tex>, которой, возможно, нет в <tex>p</tex> (т.е. все другие подстроки-палиндромы есть).
|proof=
Заметим, что все новые подстроки-палиндромы, которых не было в <tex>p</tex>, должны оканчиваться на символ <tex>x</tex>, и поэтому должны быть палиндромом-суффиксом строки <tex>px</tex>. Из-за того, что <tex>xAx</tex> {{---}} наибольший палиндром-суффикс строки <tex>px</tex>, все остальные меньшие палиндромы-суффиксы этой строки уже есть в каком-то префиксе строки <tex>xAx</tex> (т.к. для каждого суффикса палиндрома есть равный ему префикс) и, соответственно, уже есть в <tex>p</tex>.}}

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

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

{{Утверждение
|author=2
|statement=
Очередная добавленная вершина <tex>u</tex> не может быть максимальным палиндромом-суффиксом какой-либо ранее добавленной вершины <tex>v</tex>
|proof=
Предположим, что это не так. Тогда оказывается, что не все подпалиндромы строки <tex>v'</tex> были добавлены в дерево палиндромов ранее. А это противоречит утверждению 1.
}}

Таким образом, добавление очередного символа по описанному алгоритму происходит корректно.

== Оценка сложности ==

=== Память ===
Каждая вершина в дереве соответствует подпалиндрому, всего различных подпалиндромов в строке не более <tex>n</tex> (т.к. при добавлении очередного символа появляется не более одного нового палиндрома).
Поэтому дерево палиндромов занимает <tex>O(n)</tex> памяти.

=== Время ===
Чтобы оценить временную сложность алгоритма, нужно 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 <tex>n</tex>, где <tex>n</tex> {{---}} 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 <tex>O(n)</tex>.

== Применения ==
=== Число новых палиндромов, порождаемых очередным символом ===
{{Задача
|definition=
Необходимо определить число подпалиндромов, которые будут новыми после добавления символа <tex>x</tex> в конец строки <tex>s</tex>.}}

Например, при добавлении символа <tex>a</tex> к строке <tex>aba</tex>, которая уже состоит из палиндромов <tex>a</tex>, <tex>b</tex> и <tex>aba</tex>, добавляется новый палиндром <tex>aa</tex>.

Мы знаем, что число новых подпалиндромов при добавлении символа <tex>0</tex> или <tex>1</tex>. Так что решение задачи довольно простое {{---}} будем строить дерево палиндромов символ за символом и для каждого нового символа отвечать, был ли добавлен новый палиндром или нет (определить это можно, например, по тому, были ли добавлены новые вершины к структуре).

Также данную структуру можно использовать для подсчета числа различных подпалиндромов строки. Это будет просто число вершин.

=== Число подпалиндромов ===
{{Задача
|definition=
Требуется определить число подпалиндромов, которые содержатся в данной строке.}}

Например, строка <tex>aba</tex> имеет четыре подпалиндрома: дважды <tex>a</tex>, <tex>b</tex> и <tex>aba</tex>.

Для решения задачи будем строить дерево палиндромов для данной строки и на каждом шаге добавлять к ответу все палиндромы, которые содержат этот новый символ.

Рассмотрим очередной шаг алгоритма после добавления символа <tex>x</tex>. Обозначим за <tex>t</tex> вершину, соответствующую максимальному палиндрому-суффиксу, содержащую этот последний символ.
Заметим, что новые палиндромы, которые добавляет <tex>x</tex> {{---}} это <tex>t'</tex>, а также все палиндромы, достижимые из <tex>t</tex> по суффиксным ссылкам (т.к. только они содержат новый символ <tex>x</tex>). Для того чтобы быстро найти их число, будем хранить в каждой вершине длину цепочки суффиксных ссылок до корня (включая саму вершину), а затем будем просто прибавлять к ответу это число для каждого очередного <tex>t</tex> по мере добавления новых символов.

Эта задача также может быть решена [[Алгоритм_Манакера|алгоритмом Манакера]] за ту же асимптотику, однако данный алгоритм не может быть расширен для более широкого класса задач, в отличие от дерева палиндромов.

=== Число вхождений каждого подпалиндрома в строку ===
{{Задача
|definition=
Необходимо найти число вхождений каждого подпалиндрома строки в неё саму.}}

Чтобы решить эту задачу деревом палиндромов, нужно обратить внимание на то, что при добавлении нового символа увеличивается количество вхождений наибольшего палиндрома-суффикса <tex>t</tex>, содержащего новый символ, и всех палиндромов, достижимых из <tex>t</tex> по суффиксным ссылкам.

Для каждой вершины <tex>u</tex> дерева палиндромов будем хранить число вхождений строки <tex>u'</tex> в исходную строку (не обязательно актуальные данные) и число, которое необходимо добавить к числу вхождений всех потомков <tex>v</tex> вершины <tex>u</tex>. Назовем такую операцию добавления ''операцией релаксации''. После того, как релаксация будет выполнена для всех предков вершины <tex>u</tex>, можно будет считать, что посчитанное число вхождений соответствует действительности.

Данный метод очень похож на метод, описанный в статье [[Несогласованные_поддеревья._Реализация_массового_обновления|про реализацию массовых обновлений в деревьях отрезков]].

=== Поиск рефрен-палиндрома ===
{{Задача
|definition=
Для данной строки необходимо найти палиндром, произведение длины которого на количество вхождений в строку является максимальным.}}

Для решения данной задачи применим тот же алгоритм, что и в прошлой задаче, а затем пройдем по всем вершинам дерева палиндромов и выберем подходящую.

== См. также ==
* [[Алгоритм Манакера]]
* [[Сжатое суффиксное дерево]]
* [[Суффиксный массив]]

== Примечания ==
<references/>

== Источники информации ==
* [http://adilet.org/blog/25-09-14/ Adilet.org {{---}} Palindromic tree, Adilet ADJA Zhaxybay]

[[Категория:Алгоритмы и структуры данных]]

[[Категория:Структуры данных]]

[[Категория:Деревья поиска]]

[[Категория:Основные определения. Простые комбинаторные свойства слов]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Дерево палиндромов