樹的直徑

zsfzmxl發表於2024-11-01

樹上任意兩節點之間最長的簡單路徑即為樹的直徑。一棵樹可以有多個直徑,他們的長度相等。

方法一:兩次DFS:缺點:僅適用於正邊權,優點:方便記錄直徑的路徑,時間複雜度為:O(n)

方法二:樹形DP:優點:也適用於負邊權,缺點:不方便記錄路徑,時間複雜度:O(n)

方法一:兩次DFS:
1.從任意節點出發,透過BFS和DFS對樹進行一次遍歷,求出與出發點距離最遠的節點記為p
2.從節點p出發,透過BFS或DFS再進行一次遍歷,求出與p距離最遠的節點,記為q。
從p到q的路徑就是樹的一條直徑。因為p一定是直徑的一端,否則總能找到一條更長的鏈,與直徑的定義矛盾。顯然地腦洞一下即可。p為直徑的一端,那麼自然的,與p最遠的q就是直徑的另一端。
在第2步的遍歷中,可以記錄下來每個點第一次被訪問的前驅節點。最後從q遞迴到p,即可得到直徑的具體方案

方法二:樹形DP:

給定一棵樹,樹中每條邊都有一個權值,樹中兩點之間的距離定義為連線兩點的路徑邊權之和。樹中最遠的兩個節點之間的距離被稱為樹的直徑,連線這兩點的路徑被稱為樹的最長鏈。後者通常也可稱為直徑,即直徑是一個
數值概念,也可代指一條路徑
樹的直徑通常有兩種求法,時間複雜度均為O(n)。我們假設樹以N個點N-1條邊的無向圖形式給出,並儲存在鄰接表中。

樹形DP求樹的直徑
設1號節點為根,"N個點N-1條邊的無向圖"就可以看做“有根樹”
設d[x]表示從節點x出發走向以x為根的子樹,能夠到達的最遠節點的距離。設x的子節點為y1,y2, y3, ..., yt,edge(x, y)表示邊權,顯然有"
d[x] = max{d[yi] + edge(x, yi)}(1 <= i <= t)
接下來,我們可以考慮對每個節點x求出"經過節點x的最長鏈的長度"f[x],整棵樹的直徑就是max{f[x]}(1 <= x <= n)
對於x的任意兩個節點yi和yj,"經過節點x的最長鏈長度"可以透過四個部分構成:從yi到yi子樹中的最遠距離,邊(x, yi),邊(x, yj),從yj到yj子樹中的最遠距離。設j < i,因此:
f[x] = max{d[yi] + d[yj] + edge(x, yi) + edge(x, yj)}(1 <= j < i <= t)
但是我們沒有必要使用兩層迴圈來列舉i, j。在計算d[x]的過程,子節點的迴圈將要列舉到i時d[x]恰好就儲存了從節點x出發走向“以yj(j < i)為根的子樹”,能夠到達的最遠節點的距離,這個距離就是max{d[yi] +edge(x, yi)}(1
<= j < i)。所以我們先用d[x] + d[yi] + edge(x, yi)更新f[x],再用d[yi] + edge(x, yi)更新d[x]即可

例題

P3304 [SDOI2013] 直徑

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define int long long
const int N=2e5+10;
int d[N],l,r,maxn;
int h[N*2],to[N*2],w[N*2],ne[N*2],cnt;
int n,p;
int pre[N];
int col[N];
void add(int x,int y,int z){
	w[++cnt]=z;
	to[cnt]=y;
	ne[cnt]=h[x];
	h[x]=cnt;
}
void dfs(int u,int fa){
	pre[u]=fa;
	for(int i=h[u];i;i=ne[i]){
		int wei=w[i],v=to[i];
		if(v==fa)continue;
		d[v]=d[u]+wei;
		if(d[v]>maxn)maxn=d[v],p=v;
		dfs(v,u);
	}
}
void dfs2(int u,int fa){
	for(int i=h[u];i;i=ne[i]){
		int we=w[i],v=to[i];
		if(col[v]||fa==v)continue;
		d[v]=d[u]+we;
		if(maxn<d[v])maxn=d[v];
		dfs2(v,u);
	}
}
signed main(){
	cin>>n;
	for(int i=1;i<n;i++){
		int x,y,z;
		cin>>x>>y>>z;
		add(x,y,z);
		add(y,x,z);
	}
	dfs(1,0);
	l=p;
	d[p]=maxn=0;
	dfs(p,0);
	r=p;
	cout<<maxn<<endl;
	for(int i=r;i;i=pre[i])col[i]=1;
	int ll=l,rr=r;
	for(int i=pre[rr];i!=ll;i=pre[i]){
		int ld=d[i],rd=d[rr]-d[i];
		maxn=d[i]=0;
		dfs2(i,0);
		if(maxn==rd)r=i;
		if(maxn==ld){
			l=i;
			break;
		}
	}
	if(l==r){
		cout<<0<<endl;
		return 0;
	}
	int cnt=1;
	for(int i=pre[r];i!=l;i=pre[i]){
		cnt++;
	}
	cout<<cnt<<endl;
	return 0;
}

P2491 [SDOI2011] 消防

首先很容易發現,樞紐一定在樹的直徑上(若有多條任選一條不影響)。
我們可以先用兩次 dfs 求出直徑。
採用尺取法(蠕動區間),我們可以計算出在所有滿足條件的最優情況下,最大值的最小值(有點繞)。

從一端開始,每次i向另一端移動一次。

我們另從這一端取一個j。

每次只要dis i j > s,我們就讓 j 移動。

我們用 j 到出發點的距離和 i 到結束點的距離不斷更新答案。

然後其實還有可能最遠距離在直徑以外的點上。

我們就對直徑上每個點進行搜尋。

每次標記好,不重複搜尋。

最後更新答案。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define int long long
const int N=1e6+10;
int d[N],l,r,maxn;
int h[N*2],to[N*2],w[N*2],ne[N],cnt;
int n,p;
int pre[N];
int col[N];
int s;
void add(int x,int y,int z){
	w[++cnt]=z;
	to[cnt]=y;
	ne[cnt]=h[x];
	h[x]=cnt;
}
void dfs(int u,int fa){
	pre[u]=fa;
	for(int i=h[u];i;i=ne[i]){
		int wei=w[i],v=to[i];
		if(v==fa||col[v])continue;
		d[v]=d[u]+wei;
		if(d[v]>d[p])p=v;
		dfs(v,u);
	}
}
signed main(){
	cin>>n>>s;
	for(int i=1;i<n;i++){
		int x,y,z;
		cin>>x>>y>>z;
		add(x,y,z);
		add(y,x,z);
	}
	d[1]=1;
	dfs(1,0);
	d[p]=0;
	dfs(p,0);
	int top=p;
	int ans=1e9;
	for(int i=top,j=top;i;i=pre[i]){
		while(d[j]-d[i]>s)j=pre[j];
		ans=min(ans,max(d[i],d[top]-d[j]));
	}
	for(int i=top;i;i=pre[i])col[i]=1;
	for(int i=top;i;i=pre[i]){
		p=i;
		d[p]=0;
		dfs(i,pre[i]);
	}
	for(int i=1;i<=n;i++){
		ans=max(ans,d[i]);
	}
	cout<<ans;
	return 0;
}

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