Динамика по поддеревьям

Динамика по поддеревьям

Главной особенностью динамического программирования по поддеревьям является необходимость учитывать ответы в поддеревьях, так как они могут влиять на ответы в других поддеревьях. Рассмотрим для лучшего понимания динамики по поддеревьям задачу о максимальном взвешенном паросочетании в дереве.

Задача о паросочетании максимального веса в дереве

Пусть задано взвешенное дерево, с весами, обозначенными как [math]w_{i,j}[/math], где [math]i[/math] и [math]j[/math] — вершины дерева, соединённые ребром. Задача: составить такое паросочетание, чтобы суммарный вес всех рёбер, входящих в него, был максимальным.

Для решения данной задачи существует несколько алгоритмов. Например, алгоритм Куна, который имеет верхнюю оценку порядка [math]O \left ( n^3 \right )[/math]. Но так как нам дано дерево, то можно использовать динамическое программирование, время работы алгоритма с которым улучшается до [math]O \left ( n \right )[/math].

Обозначим [math]a[i][/math] как паросочетание максимального веса в поддереве с корнем в [math]i[/math]-той вершине, при этом [math]i[/math]-тая вершина соединена ребром, входящим в паросочетание, с вершиной, входящей в поддерево [math]i[/math]-ой вершины; аналогично [math]b[i][/math] - как паросочетание максимального веса в поддерева с корнем в [math]i[/math]-той вершине, но только при этом [math]i[/math]-тая вершина соединена ребром, входящим в паросочетание, с вершиной, не входящей в поддерево [math]i[/math]-ой вершины; а [math]c[i]=\max \left ( a[i],b[i] \right )[/math], таким образом, ответ на задачу будет находиться в [math]c[root][/math], где [math]root[/math] - корень дерева. Идея динамического программирования здесь состоит в том, что для того, чтобы найти паросочетание максимального веса с корнем в вершине [math]i[/math], нам необходимо найти максимальное паросочетание для всех поддеревьев [math]i[/math]-ой вершины.

Обозначим [math]Ch(x)[/math] — как множество сыновей вершины [math]x[/math] и будем находить значения [math]a[x][/math] и [math]b[x][/math] следующим образом:

Если вершина [math]x[/math] — лист, то [math]a[x]=b[x]=0[/math],

в противном же случае

• [math]a[x]=\max_{y \in Ch(x)}\limits \left ( b[y]+w_{x,y} +\sum_{\substack{z \neq y\\z \in Ch(x)}} \limits \max \left ( a[z],b[z] \right )\right )[/math],
• [math]b[x]=\sum_{z \in Ch(x)} \limits \max \left ( a[z], b[z] \right )[/math]

С учётом того, что [math]c[i]=\max \left ( a[i],b[i] \right )[/math], эти формулы можно переписать как

• [math]a[x]=\max_{y \in Ch(x)}\limits \left ( b[y]+w_{x,y}-c[y] \right )+b[x][/math]
• [math]b[x]=\sum_{z \in Ch(x)} \limits c[z][/math].

Теперь оценим количество операций, необходимых нам для нахождения [math]c[root][/math]. Так как [math]c[i]=\max \left ( a[i],b[i] \right )[/math], то для вычисления [math]c[root][/math] необходимо вычислить [math]a[root][/math], [math]b[root][/math]. Для вычисления и того, и другого необходимо время порядка [math]O \left ( \sum_{x=1}^n \limits \left | Ch(x) \right | \right )=O \left ( n \right )[/math], где n — количество вершин в дереве.

Псевдокод

int dfs(int x):
   for (child : Ch[x])
       dfs(child)
       a[x] = max(a[x], b[child] + w[x][child] - с[child])  //по формуле выше, но без b[x](прибавим его один раз в конце) 
       b[x] += с[child] 
   a[x] += b[x]                                             // так как в a[x] пока что хранится только на сколько мы можем увеличить ответ если будем использовать вершину x                                      
   c[x] = max(a[x], b[x])
//в основной процедуре вызываем dfs от корня, после этого ответ будет хранится в c[root] 

Амортизированные оценки для ДП на дереве

Теорема:

Пусть какой-либо алгоритм на дереве работает за время [math]O \left ( \left |Ch \left ( x \right) \right |^k \right )[/math] для вершины x, тогда время обработки им всего дерева не превышает [math]O \left ( n^k \right )[/math]:

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

[math]\forall x \in \left \{ 1 \dots n \right \}: \left | Ch(x) \right | \leqslant n[/math], поэтому [math]\sum_{x=1}^n \limits \left | Ch \left ( x \right ) \right |^k \leqslant \sum_{x=1}^n \limits | Ch \left ( x \right ) | \cdot n^{k-1}=n \cdot n^{k-1}=n^k[/math].

[math]\triangleleft[/math]

Источники информации

• В. В. Лепин, Линейный алгоритм для нахождения максимального индуцированного паросочетания наименьшего веса в реберно-взвешенном дереве
• Алгоритм Куна для поиска максимального паросочетания
• Википедия — Паросочетание