Сведение задачи LCA к задаче RMQ — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Доказательство корректности алгоритма)
Строка 16: Строка 16:
  
 
=== Запрос ===
 
=== Запрос ===
Обозначим <tex>I[u]</tex> {{---}} функция, возвращающая все индексы ячеек в списке глубин <tex>depth[start..end]</tex>, в которых хранится глубина узла <tex>u.</tex>
+
Обозначим <tex>I[u]</tex> {{---}} функция, возвращающая любой индекс ячейки в списке глубин <tex>depth</tex>, в котором хранится глубина узла <tex>u</tex>. Ее можно строить во время обхода в глубину.
 
Пусть имеется запрос пара узлов <tex>u, v.</tex> В результате обхода в глубину получился список глубин вершин, в котором наименьшему общему предку вершин <tex>u, v</tex> соответствует минимальная глубина на отрезке <tex>depth[I[u], I[v]].</tex> Можно брать любое значение <tex>I[u].</tex> Для определённости <tex>I[u] \le I[v].</tex>
 
Пусть имеется запрос пара узлов <tex>u, v.</tex> В результате обхода в глубину получился список глубин вершин, в котором наименьшему общему предку вершин <tex>u, v</tex> соответствует минимальная глубина на отрезке <tex>depth[I[u], I[v]].</tex> Можно брать любое значение <tex>I[u].</tex> Для определённости <tex>I[u] \le I[v].</tex>
  
Строка 24: Строка 24:
 
Приведенный выше алгоритм работает верно.
 
Приведенный выше алгоритм работает верно.
 
|proof=
 
|proof=
Рассмотрим два узла <tex>u, v</tex> корневого дерева <tex>T</tex>. Для определенности считаем, что <tex>u</tex> является первой при поиске в глубину. Обозначим <tex>a</tex> {{---}} любой индекс из <tex>I[u]</tex>, <tex>b</tex> {{---}} из <tex>I[v]</tex>. На отрезке <tex>depth[a..end]</tex> (<tex>end</tex> {{---}} последний элемент в <tex>depth</tex>) хранятся узлы посещенные после <tex>u</tex> и, быть может, некоторые вершины из поддерева с корнем <tex>u</tex>(которые имеют глубину больше глубины <tex>u</tex>). Аналогично на <tex>depth[1..b]</tex> {{---}} вершины, посещенные до <tex>v</tex> и некоторые вершины из поддерева <tex>v</tex>. Рассмотрим теперь отрезок <tex>depth[a..b]</tex>. Поскольку этот отрезок {{---}} путь из <tex>u</tex> в <tex>v</tex>, он проходит через их наименьшего общего предка <tex>w</tex>(в дереве есть только один простой путь между вершинами). Покажем, что его глубина минимальна на отрезке <tex>depth[a..b]</tex>. Допустим обратное. Все потомки <tex>w</tex> имеют глубину больше. Но тогда получим, что поиск в глубину вышел из поддерева вершины <tex>w</tex> раньше, чем посетил вершину <tex>v</tex>.
+
Рассмотрим два узла <tex>u, v</tex> корневого дерева <tex>T</tex>. Для определенности считаем, что <tex>u</tex> является первой при поиске в глубину. На отрезке <tex>depth[I[u]..end]</tex> (<tex>end</tex> {{---}} последний элемент в <tex>depth</tex>) хранятся узлы посещенные после <tex>u</tex> и, быть может, некоторые вершины из поддерева с корнем <tex>u</tex>(которые имеют глубину больше глубины <tex>u</tex>). Аналогично на <tex>depth[1..I[v]]</tex> {{---}} вершины, посещенные до <tex>v</tex> и некоторые вершины из поддерева <tex>v</tex>. Рассмотрим теперь отрезок <tex>depth[I[u]..I[v]]</tex>. Поскольку этот отрезок {{---}} путь из <tex>u</tex> в <tex>v</tex>, он проходит через их наименьшего общего предка <tex>w</tex>(в дереве есть только один простой путь между вершинами). Покажем, что его глубина минимальна на отрезке <tex>depth[I[u]..I[v]]</tex>. Допустим обратное. Все потомки <tex>w</tex> имеют глубину больше. Но тогда получим, что поиск в глубину вышел из поддерева вершины <tex>w</tex> раньше, чем посетил вершину <tex>v</tex>.
 
}}
 
}}
  

Версия 19:43, 16 апреля 2012

Постановка задачи LCA

Определение:
Наименьшим общим предком (least common ancestor) двух узлов [math]u, v[/math] в корневом дереве [math]T[/math] называется узел [math]w,[/math] который среди всех узлов, являющихся предками как узла [math]u,[/math] так и [math]v,[/math] имеет наибольшую глубину.

Пусть дано корневое дерево [math]T.[/math] На вход подаются запросы вида [math](u,\;v),[/math] для каждого запроса требуется найти их наименьшего общего предка.

Алгоритм

Препроцессинг

1) В каждом узле будет храниться глубина узла в корневом дереве [math]T.[/math]

[math]depth(u)= \begin{cases} 0 & u = root(T),\\ depth(v) + 1 & u = son(v). \end{cases}[/math]

2) Запустим обход в глубину из корня, который будет строить список посещений узлов. Глубина текущей вершины добавляется в список при входе в эту вершину, а также после каждого возвращения из её сына.

Запрос

Обозначим [math]I[u][/math] — функция, возвращающая любой индекс ячейки в списке глубин [math]depth[/math], в котором хранится глубина узла [math]u[/math]. Ее можно строить во время обхода в глубину. Пусть имеется запрос пара узлов [math]u, v.[/math] В результате обхода в глубину получился список глубин вершин, в котором наименьшему общему предку вершин [math]u, v[/math] соответствует минимальная глубина на отрезке [math]depth[I[u], I[v]].[/math] Можно брать любое значение [math]I[u].[/math] Для определённости [math]I[u] \le I[v].[/math]

Доказательство корректности алгоритма

Теорема:
Приведенный выше алгоритм работает верно.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]
Рассмотрим два узла [math]u, v[/math] корневого дерева [math]T[/math]. Для определенности считаем, что [math]u[/math] является первой при поиске в глубину. На отрезке [math]depth[I[u]..end][/math] ([math]end[/math] — последний элемент в [math]depth[/math]) хранятся узлы посещенные после [math]u[/math] и, быть может, некоторые вершины из поддерева с корнем [math]u[/math](которые имеют глубину больше глубины [math]u[/math]). Аналогично на [math]depth[1..I[v]][/math] — вершины, посещенные до [math]v[/math] и некоторые вершины из поддерева [math]v[/math]. Рассмотрим теперь отрезок [math]depth[I[u]..I[v]][/math]. Поскольку этот отрезок — путь из [math]u[/math] в [math]v[/math], он проходит через их наименьшего общего предка [math]w[/math](в дереве есть только один простой путь между вершинами). Покажем, что его глубина минимальна на отрезке [math]depth[I[u]..I[v]][/math]. Допустим обратное. Все потомки [math]w[/math] имеют глубину больше. Но тогда получим, что поиск в глубину вышел из поддерева вершины [math]w[/math] раньше, чем посетил вершину [math]v[/math].
[math]\triangleleft[/math]

Пример

Рассмотрим дерево на рисунке 1. Найдем наименьшего общего предка вершин, помеченных красным цветом. Список глубин, получающийся в результате обхода в глубину - [math][0, 1, 2, 1, 2, 1, 0, 1, 0].[/math] Глубина наименьшего общего предка красных вершин равна минимуму на отрезке [math][2, 1, 0, 1].[/math]

рис. 1

Сложность

Для нахождения минимального элемента на отрезке можно использовать дерево отрезков. Длина массива глубин будет равна [math](2n - 1),[/math] т.е. дерево отрезков будет построено за [math]O(n).[/math] Таким образом, препроцессинг работает за [math]O(n).[/math] Время выполнения запроса равно времени запроса минимального элемента на отрезке в дереве отрезков, т.е. [math]O(\log n).[/math]

См.также

Ссылки