Задача о динамической связности

Задача:

Есть неориентированный граф из [math]n[/math] вершин, изначально не содержащий рёбер. Требуется обработать [math]m[/math] запросов трёх типов: [math]\mathrm{add(u,v)}[/math] — добавить ребро между вершинами [math]u[/math] и [math]v[/math]; [math]\mathrm{remove(u,v)}[/math] — удалить ребро между вершинами [math]u[/math] и [math]v[/math]; [math]\mathrm{connected(u,v)}[/math] — проверить, лежат ли вершины [math]u[/math] и [math]v[/math] в одной компоненте связности.

В этой статье будет приведено решение задачи online, то есть отвечать на get-запрос (проверять наличие пути между вершинами) мы будем сразу.

Динамическая связность в лесах

Если задача такова, что в графе нет и не может быть циклов, то она сводится к задаче о связности в деревьях эйлерова обхода. Время работы каждого запроса для упрощённой задачи — [math]O(\log n)[/math].

Обобщение задачи для произвольных графов

Существуют задачи, в которых граф не обязательно на протяжении нашей работы после каждой операции добавления ребра остаётся лесом. Добавление рёбер можно рассмотреть с точки зрения системы непересекающихся множеств, такой запрос будет работать за [math]O(\mathrm{\log}n)[/math].

Попробуем выполнить операцию удаления ребра. Для этого в каждой компоненте связности выделим остовные деревья, которые образуют остовный лес. Граф и его остовный лес — одно и то же с точки зрения связности.

Произвольный граф

Остовный лес в графе

Введём функцию [math]l(e):e{\rightarrow}[0;\mathrm{\log} n][/math] и назовём её уровнем ребра [math]e[/math]. Будем рассматривать графы [math]G_i=\langle V, E\rangle: \{E|l(E) \geqslant i\}[/math]. Очевидно, что [math]G_{\mathrm{\log}n} \subseteq G_{\mathrm{\log}n-1} \subseteq ... \subseteq G_1 \subseteq G_0[/math]. Выделим в них остовные леса таким образом, чтобы [math]F_{\mathrm{\log}n} \subseteq F_{\mathrm{\log}n-1} \subseteq ... \subseteq F_1 \subseteq F_0[/math], где [math]F_i[/math] — остовный лес графа [math]G_i[/math].

При удалении возможны случаи:

• Удаляемое ребро является мостом. В этом случае дерево распадается на две части, и задача решается как для дерева за [math]O(\mathrm{\log}n)[/math].
• Удаляемое ребро не является мостом. Тогда существует другое ребро, соединяющее две части исходной компоненты (под частями подразумевается какое-то разбиение множества вершин на два, при этом вершины [math]u[/math] и [math]v[/math] лежат в разных частях. Если [math]uv[/math] принадлежало нашему лесу, то передаём эту "функцию" новому ребру.

Осталось узнать, как проверить, является ли ребро мостом.

См. также

• Деревья эйлерова обхода
• Задача о динамической связности оффлайн

Источники информации

• http://se.math.spbu.ru/SE/diploma/2012/s/Kopeliovich_diploma.pdf
• Dynamic connectivity — Википедия
• http://courses.csail.mit.edu/6.851/spring12/scribe/L20.pdf
• Лекции — Академия Яндекса