03.树的中心

定义

在树中，如果节点 $x$ 作为根节点时，从 $x$ 出发的最长链最短，那么称 $x$ 为这棵树的中心。

性质

• 树的中心不一定唯一，但最多有 $2$ 个，且这两个中心是相邻的。
• 树的中心一定位于树的直径上。
• 树上所有点到其最远点的路径一定交会于树的中心。
• 当树的中心为根节点时，其到达直径端点的两条链分别为最长链和次长链。
• 当通过在两棵树间连一条边以合并为一棵树时，连接两棵树的中心可以使新树的直径最小。
• 树的中心到其他任意节点的距离不超过树直径的一半。

求法

寻找一个点 $x$，使其作为根节点时，最长链的长度最短。

具体步骤

1. 维护 $len{1}_x$，表示节点 $x$ 子树内的最长链。
2. 维护 $len{2}_x$，表示不与 $len{1}_x$ 重叠的最长链。
3. 维护 $u{p}_x$，表示节点 $x$ 子树外的最长链，该链必定经过 $x$ 的父节点。
4. 找到点 $x$ 使得 $\max (len{1}_x,u{p}_x)$ 最小，那么 $x$ 即为树的中心。

参考代码

// 这份代码默认节点编号从 1 开始，即 i ∈ [1,n]，使用vector存图
int d1[N], d2[N], up[N], x, y, mini = 1e9;  // d1,d2对应上文中的len1,len2
 
struct node {
  int to, val;  // to为边指向的节点，val为边权
};
 
vector<node> nbr[N];
 
void dfsd(int cur, int fa) {  // 求取len1和len2
  for (node nxtn : nbr[cur]) {
    int nxt = nxtn.to, w = nxtn.val;  // nxt为这条边通向的节点，val为边权
    if (nxt == fa) {
      continue;
    }
    dfsd(nxt, cur);
    if (d1[nxt] + w > d1[cur]) {  // 可以更新最长链
      d2[cur] = d1[cur];
      d1[cur] = d1[nxt] + w;
    } else if (d1[nxt] + w > d2[cur]) {  // 不能更新最长链，但可更新次长链
      d2[cur] = d1[nxt] + w;
    }
  }
}
 
void dfsu(int cur, int fa) {
  for (node nxtn : nbr[cur]) {
    int nxt = nxtn.to, w = nxtn.val;
    if (nxt == fa) {
      continue;
    }
    up[nxt] = up[cur] + w;
    if (d1[nxt] + w != d1[cur]) {  // 如果自己子树里的最长链不在nxt子树里
      up[nxt] = max(up[nxt], d1[cur] + w);
    } else {  // 自己子树里的最长链在nxt子树里，只能使用次长链
      up[nxt] = max(up[nxt], d2[cur] + w);
    }
    dfsu(nxt, cur);
  }
}
 
void GetTreeCenter() {  // 统计树的中心，记为x和y（若存在）
  dfsd(1, 0);
  dfsu(1, 0);
  for (int i = 1; i <= n; i++) {
    if (max(d1[i], up[i]) < mini) {  // 找到了当前max(len1[x],up[x])最小点
      mini = max(d1[i], up[i]);
      x = i;
      y = 0;
    } else if (max(d1[i], up[i]) == mini) {  // 另一个中心
      y = i;
    }
  }
}

示例

假设我们有一棵树，如下所示：

           A
          / \
         B   C
        / \   \
       D   E   F

• 树的直径为 $D\to B\to A\to C\to F$。直径长度为 $4$。
• 树的中心为节点 $A$，因为从 $A$ 出发的最长链（到 $D$ 或 $F$）均为 $2$。
• 如果将 $B$ 或 $C$ 作为树的根，则从这些节点出发的最长链将增加，因此它们不是树的中心。

时间复杂度

上述算法的时间复杂度为 $O(n)$，其中 $n$ 是树中节点的数量。

参考

• TutorialsPoint: Centers of a Tree
• ProofWiki: Definition of Center of Tree
• Wikipedia: Tree (graph theory)