C++树形结构(2 树的直径)

目录

1.定义:

2.直径的性质:

3.树的直径求解方法:

4.直径端点求解方法:

朴素方法:

优化方法:

5.例题:

6.直径公共点:

7.例题:

8.去掉再加上:

9.例题:


1.定义:

树的直径是树上两点间距离的最大值。即树中最远的两个节点之间的距离被称为树的直径,连接这两点的路径被称为树的最长链

最长链:4-2-1-7-6-3

所以这颗树的直径是15,直径路径为4-2-1-3-6

2.直径的性质:

直径的性质1:直径的端点一定是叶子节点

直径的性质2:任意点的最长链端点一定是直径端点

直径的性质3:如果一棵树有多条直径且边权都为正,那么它们必然相交,且有极长连续段(可以是一个点,交点为树的中心)

直径的性质4:树T1的直径为x,y,树T2的直径为s,t。现有一边u,v与两颗树相连,新树的直径端点一点是x,y,s,t中的两个

3.树的直径求解方法:

引理性质2:任意点的最长链端点一定是直径端点。方法:我们随意找一个点x,进行dfs找到最长链的端点s,再以端点s做第二遍dfs,此时可以找到直径的第二个端点t。此时端点s到t的距离就是树的直径。

输入一颗无根树,第一行为一个正整数n(n<1e5),表示这颗树有n个节点接下来的n−1行,每行三个正整数u,v,w,表示u,v(u,v<=n)有一条权值为w(w<100)的边相连,求树的直径。 

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int n,data[100005],pl,maxn;
vector<int> v[100005];
vector<int> w[100005];
void dfs(int x,int fa) {for(int i=0; i<v[x].size(); i++) {int y=v[x][i];if(y==fa) continue;data[y]=data[x]+w[x][i];if(data[y]>maxn) maxn=data[y],pl=y;//记录端点dfs(y,x);}
}
int main() {cin>>n;for(int i=1; i<n; i++) {int x,y,z;cin>>x>>y>>z;v[x].push_back(y);v[y].push_back(x);w[x].push_back(z);w[y].push_back(z);}dfs(1,0);//寻找直径memset(data,0,sizeof data);//清空距离dfs(pl,0);//从pl出发寻找端点cout<<maxn;return 0;
}

4.直径端点求解方法:

我们通过记录父亲节点的方式能够把直径上的所有点全部记录下来。在树中,直径端点是常用点(假设端点为s,t),我们树上任意一点p所能到的最大距离,只有可能是到ps或pt

那如何找到所有点到两个直径端点的距离?

朴素方法:

求出直径端点后,以每个点为根做dfs,找到根节点到端点的距离。复杂度O(N2)。

优化方法:

第一次从任意点出发,必然能到达直径的一个端点s。第二次从s点进行dfs找到端点t,此时记录所有点到s的距离。第三次从t点进行dfs,记录所有点到t的距离。复杂度:O(n)

5.例题:

题目描述:

 输入一颗无根树,第一行为一个正整数n(n<1e5),表示这颗树有n个节点接下来的n−1行,每行三个正整数u,v,w,表示u,v(u,v<=n)有一条权值为w(w<100)的边相连,输出各个点到左右端点的距离。(默认左端点为编号小的点,右端点为编号大的点。)

题目分析:

我们需要多次求树的直径。通过第一次dfs从根寻找第一个端点pl,再通过第二次dfs从pl寻找第二个端点pr,并记录所经过的距离,最后通过第三次dfs记录每个点到左右端点的距离。多次求树的直径,有很多重复操作,包括清空最长链长度,以及重置距离数组,我们可以放到循环中,这样就不容易遗忘初始化。同时我们还可以记录当前是第几次dfs,到指定次数dfs时才更新信息。

正确代码:

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
vector <int> v[100002];
vector<int> w[100002];
int n,maxn,sum,data[100002],dl[100002],s[100002],l,r;
void dfs1(int x,int fa) {if(data[x]>maxn) maxn=data[x],sum=x;for(int i=0; i<v[x].size(); i++) {int y=v[x][i];if(y==fa) continue;data[y]=data[x]+w[x][i];dfs1(y,x);}
}
void dfs2(int x,int fa) {dl[x]=data[x];if(data[x]>maxn) maxn=data[x],sum=x;for(int i=0; i<v[x].size(); i++) {int y=v[x][i];if(y==fa) continue;data[y]=data[x]+w[x][i];dfs2(y,x);}
}
void dfs3(int x,int fa) {s[x]=data[x];if(data[x]>maxn) maxn=data[x],sum=x;for(int i=0; i<v[x].size(); i++) {int y=v[x][i];if(y==fa) continue;data[y]=data[x]+w[x][i];dfs3(y,x);}
}
int main() {cin>> n;for(int i=1; i<n; i++) {int x,y,z;cin>>x>>y>>z;v[x].push_back(y);v[y].push_back(x);w[x].push_back(z);w[y].push_back(z);}dfs1(1,0);memset(data,0,sizeof data);maxn=0,l=sum;dfs2(l,0);memset(data,0,sizeof data);maxn=0,r=sum;dfs3(r,0);if(l>r) swap(dl,s),swap(l,r);//保证做端点较小for(int i=1; i<=n; i++) cout<<i<<" "<<dl[i]<<" "<<s[i]<<endl;return 0;
}

6.直径公共点:

以当一颗树存在多条直径时,引理性质3,公共边一定连续,因此可以直接对公共点/边进行求解

公共点公共边的求法:

找到直径左右端点s,t,从左往右遍历直径上的点进行dfs,如果某点r在直径外找到一点与到右端点t距离相同,点r右边的点一定不是公共点。同理,从右往左遍历直径上的点进行dfs,如果某点l在直径外找到一点与到左端点s距离相同,l左边的点一定不是公共点。此时,l->r就是我们直径的公共点。因此我们只需要找到公共点边界l,r即可。使得l尽可能靠右,r尽可能靠左。

7.例题:

题目描述:

 给定一棵树,树中包含 n(n<=1e5)个结点(编号1~n)和 n−1 条无向边,每条点都有一个权值c(1<=c<=100)。请找出所有直径的公共点权值和。(第一个点权值为0)

题目分析:

按照直径公共点求解的方法进行操作。

1.找到直径左右端点lp,rp;

2.找到直径上的点x到左端点lp的距离ld[x],到右端点rp的距离rd[x];

3.找到直径上的点x到非直径点(且不通过直径点)的距离dis[x]

4.从直径左端点开始向右端点扫描,如果dis[i]=rd[i],则停下,找到公共点右区间r=i

5.从直径右端点开始向左端点扫描,如果dis[j]=ld[j],则停下,找到公共点左区间l=j

6.计算直径上i到j的点权和得出答案。

真确代码:

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N=2E5+5;
int n,c[N];
vector<int> v[N];
int dl[N],dr[N],d[N],dis[N];//记录各点距离信息
int pre[N],a[N],vis[N],tot,maxn,t,pl,pr,l,r;//记录直径上的信息
bool flag;
void dfs(int x,int fa,int cnt) {if(cnt==3) pre[x]=fa;//记录直径路径for(int i=0; i<v[x].size(); i++) {int y=v[x][i];if(y==fa) continue;d[y]=d[x]+1;if(maxn<d[y]) maxn=d[y],t=y;if(cnt==2) dl[y]=d[y];if(cnt==3) dr[y]=d[y];dfs(y,x,cnt);}
}
void dfs2(int x,int fa) {for(int i=0; i<v[x].size(); i++) {int y=v[x][i];if(y==fa || vis[y]==1) continue;dfs2(y,x);dis[x]=max(dis[x],dis[y]+1);}
}int main() {cin>>n;for(int i=1; i<n; i++) {int x,y,z;cin>>x>>y>>z;v[x].push_back(y);v[y].push_back(x);c[i+1]=z;}t=1;for(int i=1; i<=3; i++) {//进行3次dfsmaxn=0;memset(d,0,sizeof d);dfs(t,0,i);if(i==1) pl=t;//获取直径的左端点if(i==2) pr=t;//获取直径的右端点}for(int i=t; i; i=pre[i]) {vis[i]=1;a[++tot]=i;//从左到右标记直径上的点}for(int i=2; i<tot; i++) dfs2(a[i],0);//获取点x能到的不在直径上的最远点l=a[1],r=a[tot];//使得右端点r靠左,左端点l靠右for(int i=2; i<tot; i++) {int x=a[i];if(dis[x]==dr[x] && flag==false){r=x;flag=true;}if(dis[x]==dl[x]) l=x;}if(l==a[1]&&r==a[tot]) {//没有公共点cout<<0;return 0;}int ans=c[r];while(l!=r) ans+=c[l],l=pre[l];cout<<ans;return 0;
}

8.去掉再加上:

性质4分析:

uv连接后有两种情况1.新直径不过uv,即现直径为st或为xy。2.新直径过uv,则现直径为max(vs,vt)+max(ux,uy)+uv。这两种情况都能保证新直径端点为x,y,s,t中的任意两个。新直径为以上三个中最大值。

连边uv求新树直径最小:

引理性质4可知:

st与xy不变,此时只能减下过uv的直径大小。以max(vs,vt)为例,要使该值最小,则v应当在树的中心位置,这样vs与vt越均衡。同理u也应该在T2的树的中心位置。

连边uv求新树直径最大:与前面一致,以max(vs,vt)为例,要使得该值最大,则v应当选择直径端点位置。因此uv选择各自直径的端点位置时,直径最大。

9.例题:

题目描述:

 给定一棵 n (1<=n<=1e4)个点构成的树。树中每条边的长度均为 1。现在,需要你去掉树中的一条边,然后再给树加上一条边,使得图形仍是树。请计算,新树的直径的最小可能值。(新树可以和原来的树完全一样)。

题目分析:

由性质4,我们知道连接时需要连接两棵树的中心,才能使得新树直径尽可能小。所以连接点很好处理。对于断开点,我们必然只有断开直径上的边,否则直径不可能变小,具体直径上哪一条边,我们可以进行枚举。

真确代码:

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N=1E4+5;
vector<int>v[N];
int n,ans,maxn,t,pre[N],d[N];
bool vis[N][N];
void dfs(int x,int fa,int cnt,int k) {if(cnt==2&&k==0) pre[x]=fa;for(int i=0; i<v[x].size(); i++) {int y=v[x][i];if(y==fa||vis[x][y]) continue;d[y]=d[x]+1;if(d[y]>=maxn) maxn=d[y],t=y;dfs(y,x,cnt,k);}
}
int get(int x,int k) {t=x;for(int i=1; i<=2; i++) {maxn=0;memset(d,0,sizeof d);dfs(t,0,i,k);}return maxn;
}
int main() {cin>>n;for(int i=1; i<n; i++) {int x,y;cin>>x>>y;v[x].push_back(y);v[y].push_back(x);}ans=get(1,0);int ans=maxn,res;for(int i=t; i; i=pre[i]) {if(i==0||pre[i]==0) continue;vis[i][pre[i]]=vis[pre[i]][i]=1;int lena=get(i,1),lenb=get(pre[i],1);res=max(max(lena,lenb),(lena+1)/2+(lenb+1)/2+1);ans=min(ans,res);res=0;vis[i][pre[i]]=vis[pre[i]][i]=0;}cout<<ans;return 0;
}

 树形结构(1 基础):https://blog.csdn.net/Archie28/article/details/140532542

树形结构(3 树的中心、重心):https://blog.csdn.net/Archie28/article/details/140532797

树形结构(总):https://blog.csdn.net/Archie28/article/details/140504428

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