在阅读下列内容之前,请务必了解 图论相关概念 部分。
相关阅读:割点和桥。
引入
众所周知,树(或森林)有很好的性质,并且容易通过很多常见数据结构维护。
而一般图则没有那么好的性质,所幸有时我们可以把一般图上的某些问题转化到树上考虑。
而圆方树(Block forest 或 Round-square tree)1 就是一种将图变成树的方法。本文将介绍圆方树的构建,性质和一些应用。
限于篇幅,本文中有一些结论未经证明,读者可以自行理解或证明。
定义
圆方树最初是处理「仙人掌图」(每条边在不超过一个简单环中的无向图)的一种工具,不过发掘它的更多性质,有时我们可以在一般无向图上使用它。
要介绍圆方树,首先要介绍 点双连通分量。
一个 点双连通图 的一个定义是:图中任意两不同点之间都有至少两条点不重复的路径。 点不重复既指路径上点不重复(简单路径),也指两条路径的交集为空(当然,路径必然都经过出发点和到达点,这不在考虑范围内)。
可以发现对于只有一个点的图比较难定义它是不是一个点双,这里先不考虑节点数为 的图。
一个近乎等价的定义是:不存在割点的图。 这个定义只在图中只有两个点,一条连接它们的边时失效。它没有割点,但是并不能找到两条不相交的路径,因为只有一条路径。 (也可以理解为那一条路径可以算两次,的确没有交,因为不经过其他点)
虽然原始的定义的确是前者,但是为了方便,我们规定点双图的定义采用后者。
而一个图的 点双连通分量 则是一个 极大点双连通子图。 与强连通分量等不同,一个点可能属于多个点双,但是一条边属于恰好一个点双(如果定义采用前者则有可能不属于任何点双)。
在圆方树中,原来的每个点对应一个 圆点,每一个点双对应一个 方点。 所以共有 个点,其中 是原图点数, 是原图点双连通分量的个数。
而对于每一个点双连通分量,它对应的方点向这个点双连通分量中的每个点连边。 每个点双形成一个「菊花图」,多个「菊花图」通过原图中的割点连接在一起(因为点双的分隔点是割点)。
显然,圆方树中每条边连接一个圆点和一个方点。
下面的图显示了一张图对应的点双和圆方树形态。2
圆方树的点数小于 ,这是因为割点的数量小于 ,所以请注意各种数组大小要开两倍。
其实,如果原图连通,则「圆方树」才是一棵树,如果原图有 个连通分量,则它的圆方树也会形成 棵树形成的森林。
如果原图中某个连通分量只有一个点,则需要具体情况具体分析,我们在后续讨论中不考虑孤立点。
过程
对于一个图,如何构造出它的圆方树呢?首先可以发现如果图不连通,可以拆分成每个连通子图考虑,所以我们只考虑连通图。
因为圆方树是基于点双连通分量的,而点双连通分量又基于割点,所以只需要用类似求割点的方法即可。
求割点的常用算法是 Tarjan 算法,如果你会了理解下面的内容就很简单了,如果你不会也没关系。
我们跳过 Tarjan 求割点,直接介绍圆方树使用的算法(其实是 Tarjan 的变体):
对图进行 DFS,并且中间用到了两个关键数组 dfn 和 low(类似于 Tarjan)。
dfn[u] 存储的是节点 的 DFS 序,即第一次访问到 时它是第几个被访问的节点。
low[u] 存储的是节点 的 DFS 树中的子树中的某个点 通过 最多一次返祖边或向父亲的树边 能访问到的点的 最小 DFS 序。
如果没有听说过 Tarjan 算法可能会有点难理解,让我们举个例子吧:
(可以发现这张图其实和上面图片中的图等价) 这里树边从上至下用直线画出,返祖边从下至上用曲线画出。节点的编号便是它的 DFS 序。
则有 low 数组如下:
并不是很难理解吧,注意这里 的 low 是 ,与一些求割点的做法有差异,因为为了方便,我们规定了可以通过父边向上,但主要思想是相同的。
我们可以很容易地写出计算 dfn 和 low 的 DFS 函数(初始时 dfn 数组清零):
实现
[list2tab]
C++
void Tarjan(int u) { low[u] = dfn[u] = ++dfc; // low 初始化为当前节点 dfn for (int v : G[u]) { // 遍历 u 的相邻节点 if (!dfn[v]) { // 如果未访问过 Tarjan(v); // 递归 low[u] = std::min(low[u], low[v]); // 未访问的和 low 取 min } else low[u] = std::min(low[u], dfn[v]); // 已访问的和 dfn 取 min } }Python
def Tarjan(u): low[u] = dfn[u] = dfc # low 初始化为当前节点 dfn dfc = dfc + 1 for v in G[u]: # 遍历 u 的相邻节点 if dfn[v] == False: # 如果未访问过 Tarjan(v) # 递归 low[u] = min(low[u], low[v]) # 未访问的和 low 取 min else: low[u] = min(low[u], dfn[v]) # 已访问的和 dfn 取 min
接下来,我们考虑点双和 DFS 树以及这两个数组之间的关联。
可以发现,每个点双在 DFS 树上是一棵连通子树,并至少包含两个点;特别地,最顶端节点仅往下接一个点。
同时还可以发现每条树边恰好在一个点双内。
我们考虑一个点双在 DFS 树中的最顶端节点 ,在 处确定这个点双,因为 的子树包含了整个点双的信息。
因为至少有两个点,考虑这个点双的下一个点 ,则有 , 之间存在一条树边。
不难发现,此时一定有 。 更准确地说,对于一条树边 , 在同一个点双中,且 是这个点双中深度最浅的节点 当且仅当 。
那么我们可以在 DFS 的过程中确定哪些地方存在点双,但是还不能准确确定一个点双所包含的点集。
这并不难处理,我们可以在 DFS 过程中维护一个栈,存储还未确定所属点双(可能有多个)的节点。
在找到点双时,点双中除了 以外的其他的点都集中在栈顶端,只需要不断弹栈直到弹出 为止即可。
当然,我们可以同时处理被弹出的节点,只要将其和新建的方点连边即可。最后还要让 和方点连边。
这样就很自然地完成了圆方树的构建,我们可以给方点标号为 开始的整数,这样可以有效区分圆点和方点。
这部分可能讲述得不够清晰,下面贴出一份代码,附有详尽注释以及帮助理解的输出语句和一份样例,建议读者复制代码并自行实践理解,毕竟代码才是最能帮助理解的(不要忘记开 c++11)。
实现
#include <algorithm> #include <cstdio> #include <vector> constexpr int MN = 100005; int N, M, cnt; std::vector<int> G[MN], T[MN * 2]; int dfn[MN], low[MN], dfc; int stk[MN], tp; void Tarjan(int u) { printf(" Enter : #%d\n", u); low[u] = dfn[u] = ++dfc; // low 初始化为当前节点 dfn stk[++tp] = u; // 加入栈中 for (int v : G[u]) { // 遍历 u 的相邻节点 if (!dfn[v]) { // 如果未访问过 Tarjan(v); // 递归 low[u] = std::min(low[u], low[v]); // 未访问的和 low 取 min if (low[v] == dfn[u]) { // 标志着找到一个以 u 为根的点双连通分量 ++cnt; // 增加方点个数 printf(" Found a New BCC #%d.\n", cnt - N); // 将点双中除了 u 的点退栈,并在圆方树中连边 for (int x = 0; x != v; --tp) { x = stk[tp]; T[cnt].push_back(x); T[x].push_back(cnt); printf(" BCC #%d has vertex #%d\n", cnt - N, x); } // 注意 u 自身也要连边(但不退栈) T[cnt].push_back(u); T[u].push_back(cnt); printf(" BCC #%d has vertex #%d\n", cnt - N, u); } } else low[u] = std::min(low[u], dfn[v]); // 已访问的和 dfn 取 min } printf(" Exit : #%d : low = %d\n", u, low[u]); printf(" Stack:\n "); for (int i = 1; i <= tp; ++i) printf("%d, ", stk[i]); puts(""); } int main() { scanf("%d%d", &N, &M); cnt = N; // 点双 / 方点标号从 N 开始 for (int i = 1; i <= M; ++i) { int u, v; scanf("%d%d", &u, &v); G[u].push_back(v); // 加双向边 G[v].push_back(u); } // 处理非连通图 for (int u = 1; u <= N; ++u) if (!dfn[u]) Tarjan(u), --tp; // 注意到退出 Tarjan 时栈中还有一个元素即根,将其退栈 return 0; }
提供一个测试用例:
13 15
1 2
2 3
1 3
3 4
3 5
4 5
5 6
4 6
3 7
3 8
7 8
7 9
10 11
11 10
11 12这个例子对应的图(包含了重边和孤立点的情况):
例题
我们讲一些可以使用圆方树求解的例题。
题意简述 ( 互不相同)使得存在一条简单路径从 出发,经过 到达 。
给定一张简单无向图,问有多少对三元组
题解 之间一定存在一条简单路径经过给定的在同一个点双内的另一点 。
说到简单路径,就必须提一个关于点双很好的性质:对于一个点双中的两点,它们之间简单路径的并集,恰好完全等于这个点双。 即同一个点双中的两不同点
这个性质的证明:
- 显然如果简单路径出了点双,就不可能再回到这个点双中,否则会和点双的定义冲突。
- 所以我们只需考虑证明一个点双连通图中任意三不同点 ,必存在一条从 到 的简单路径经过 。
- 首先排除点数为 的情况,它满足这个性质,但是无法取出 个不同点。
- 对于余下的情况,考虑建立网络流模型,源点向 连容量为 的边, 和 向汇点连容量为 的边。
- 原图中的双向边 ,变成 向 连一条容量为 的边, 也向 连一条容量为 的边。
- 最后,给除了源点,汇点和 之外的每个点赋上 的容量,这可以通过拆点实现。
- 因为源点到 的边的容量为 ,那么如果这个网络最大流为 ,则证明一定有路径经过 。
- 考虑最大流最小割定理,显然最小割小于等于 ,接下来只要证最小割大于 。
- 这等价于证明割掉任意一条容量为 的边,是无法使源点和汇点不连通的。
- 考虑割掉 或 与汇点连接的点,根据点双的第一种定义,必然存在简单路径从 到另一个没割掉的点。
- 考虑割掉一个节点拆点形成的边,这等价于删除一个点,根据点双的第二种定义,余下的图仍然连通。
- 考虑割掉一条由原先的边建出的边,这等价于删除一条边,这比删除一个点更弱,显然存在路径。
- 所以我们证明了最小割大于 ,即最大流等于 。证毕。
这个结论能告诉我们什么呢?它告诉了我们:考虑两圆点在圆方树上的路径,与路径上经过的方点相邻的圆点的集合,就等于原图中两点简单路径上的点集。
回到题目,考虑固定 和 ,求合法的 的数量,显然有合法 的数量等于 之间简单路径的并集的点数减 (去掉 本身)。
那么,对原图建出圆方树后,两点之间简单路径的点数,就和它们在圆方树上路径经过的方点(点双)和圆点的个数有关。
接下来是圆方树的一个常用技巧:路径统计时,点赋上合适的权值。 本题中,每个方点的权值为对应点双的大小,而每个圆点权值为 。
这样赋权后则有两圆点间圆方树上路径点权和,恰好等于原图中简单路径并集大小减 。
问题转化为统计圆方树上 两圆点路径权值和。
换个角度考虑,改为统计每一个点对答案的贡献,即权值乘以经过它的路径条数,这可以通过简单的树形 DP 求出。
最后,不要忘记处理图不连通的情况。下面是对应代码:
参考代码
#include <algorithm> #include <iostream> #include <vector> constexpr int MN = 100005; int N, M, cnt; std::vector<int> G[MN], T[MN * 2]; long long Ans; int dfn[MN], low[MN], dfc, num; int stk[MN], tp; int wgh[MN * 2]; void Tarjan(int u) { // 求点双 low[u] = dfn[u] = ++dfc; stk[++tp] = u; ++num; for (int v : G[u]) { if (!dfn[v]) { Tarjan(v); low[u] = std::min(low[u], low[v]); if (low[v] == dfn[u]) { wgh[++cnt] = 0; for (int x = 0; x != v; --tp) { x = stk[tp]; T[cnt].push_back(x); T[x].push_back(cnt); ++wgh[cnt]; } T[cnt].push_back(u); T[u].push_back(cnt); ++wgh[cnt]; } } else low[u] = std::min(low[u], dfn[v]); } } int vis[MN * 2], siz[MN * 2]; void DFS(int u, int fz) { // dfs求值 vis[u] = 1; siz[u] = (u <= N); for (int v : T[u]) if (v != fz) { DFS(v, u); Ans += 2ll * wgh[u] * siz[u] * siz[v]; siz[u] += siz[v]; } Ans += 2ll * wgh[u] * siz[u] * (num - siz[u]); } using std::cin; using std::cout; int main() { cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false); cin >> N >> M; for (int u = 1; u <= N; ++u) wgh[u] = -1; cnt = N; for (int i = 1; i <= M; ++i) { int u, v; cin >> u >> v; G[u].push_back(v); G[v].push_back(u); } for (int u = 1; u <= N; ++u) if (!dfn[u]) { num = 0; Tarjan(u), --tp; DFS(u, 0); } cout << Ans << '\n'; return 0; }顺带一提,刚刚的测试用例在这题的答案是 。
题意简述
给定一张简单无向连通图,要求支持两种操作:
修改一个点的点权。
询问两点之间所有简单路径上点权的最小值。
题解
同样地,我们建出原图的圆方树,令方点权值为相邻圆点权值的最小值,问题转化为求路径上最小值。
路径最小值可以使用树链剖分和线段树维护,但是修改呢?
一次修改一个圆点的点权,需要修改所有和它相邻的方点,这样很容易被卡到 个修改。
这时我们利用圆方树是棵树的性质,令方点权值为自己的儿子圆点的权值最小值,这样的话修改时只需要修改父亲方点。
对于方点的维护,只需要对每个方点开一个
multiset维护权值集合即可。需要注意的是查询时若 LCA 是方点,则还需要查 LCA 的父亲圆点的权值。
注意:圆方树点数要开原图的两倍,否则会数组越界。
参考代码
#include <algorithm> #include <iostream> #include <set> #include <vector> constexpr int MN = 100005; constexpr int MS = 524288; constexpr int Inf = 0x7fffffff; int N, M, Q, cnt; int w[MN * 2]; std::vector<int> G[MN], T[MN * 2]; std::multiset<int> S[MN * 2]; int dfn[MN * 2], low[MN], dfc; int stk[MN], tp; void Tarjan(int u) { low[u] = dfn[u] = ++dfc; stk[++tp] = u; for (int v : G[u]) { if (!dfn[v]) { Tarjan(v); low[u] = std::min(low[u], low[v]); if (low[v] == dfn[u]) { ++cnt; for (int x = 0; x != v; --tp) { x = stk[tp]; T[cnt].push_back(x); T[x].push_back(cnt); } T[cnt].push_back(u); T[u].push_back(cnt); } } else low[u] = std::min(low[u], dfn[v]); } } int idf[MN * 2], faz[MN * 2], siz[MN * 2], dep[MN * 2], son[MN * 2], top[MN * 2]; void DFS0(int u, int fz) { faz[u] = fz, dep[u] = dep[fz] + 1, siz[u] = 1; for (int v : T[u]) if (v != fz) { DFS0(v, u); siz[u] += siz[v]; if (siz[son[u]] < siz[v]) son[u] = v; } } void DFS1(int u, int fz, int tp) { dfn[u] = ++dfc, idf[dfc] = u, top[u] = tp; if (son[u]) DFS1(son[u], u, tp); for (int v : T[u]) if (v != fz && v != son[u]) DFS1(v, u, v); } #define li (i << 1) #define ri (i << 1 | 1) #define mid ((l + r) >> 1) #define ls li, l, mid #define rs ri, mid + 1, r int dat[MS]; void Build(int i, int l, int r) { // 建树 if (l == r) { dat[i] = w[idf[l]]; return; } Build(ls), Build(rs); dat[i] = std::min(dat[li], dat[ri]); } void Mdf(int i, int l, int r, int p, int x) { // 获取最小值 if (l == r) { dat[i] = x; return; } if (p <= mid) Mdf(ls, p, x); else Mdf(rs, p, x); dat[i] = std::min(dat[li], dat[ri]); } int Qur(int i, int l, int r, int a, int b) { // 查询 if (r < a || b < l) return Inf; if (a <= l && r <= b) return dat[i]; return std::min(Qur(ls, a, b), Qur(rs, a, b)); } using std::cin; using std::cout; int main() { cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false); cin >> N >> M >> Q; for (int i = 1; i <= N; ++i) cin >> w[i]; cnt = N; for (int i = 1; i <= M; ++i) { int u, v; cin >> u >> v; G[u].push_back(v); G[v].push_back(u); } Tarjan(1), DFS0(1, 0), dfc = 0, DFS1(1, 0, 1); for (int i = 1; i <= N; ++i) if (faz[i]) S[faz[i]].insert(w[i]); for (int i = N + 1; i <= cnt; ++i) w[i] = *S[i].begin(); Build(1, 1, cnt); for (int q = 1; q <= Q; ++q) { char opt[3]; int x, y; cin >> opt >> x >> y; if (*opt == 'C') { Mdf(1, 1, cnt, dfn[x], y); if (faz[x]) { int u = faz[x]; S[u].erase(S[u].lower_bound(w[x])); S[u].insert(y); if (w[u] != *S[u].begin()) { w[u] = *S[u].begin(); Mdf(1, 1, cnt, dfn[u], w[u]); } } w[x] = y; } else { int Ans = Inf; while (top[x] != top[y]) { if (dep[top[x]] < dep[top[y]]) std::swap(x, y); Ans = std::min(Ans, Qur(1, 1, cnt, dfn[top[x]], dfn[x])); x = faz[top[x]]; } if (dfn[x] > dfn[y]) std::swap(x, y); Ans = std::min(Ans, Qur(1, 1, cnt, dfn[x], dfn[y])); if (x > N) Ans = std::min(Ans, w[faz[x]]); cout << Ans << '\n'; } } return 0; }
题意简述 次询问:
给出一个简单无向连通图。有
每次给出一个点集 (),问有多少个点 满足 且删掉 之后 中的点不全在一个连通分量中。
每个测试点有多组数据。
题解 在圆方树上对应的连通子图中的圆点个数减去 。
先建出圆方树,则变为询问
如何计算连通子图中的圆点个数?有一个方法:
把圆点的权值放到它和它的父亲方点的边上,问题转化为求边权和,这个问题可以参考 「SDOI2015」寻宝游戏 的一种解法。 即把 中的点按照 DFS 序排序,计算排序后相邻两点的距离和(还包括首尾两点之间的距离),答案就是距离和的一半,因为每条边只被经过两次。
最后,如果子图中的深度最浅的节点是圆点,答案还要加上 ,因为我们没有统计到它。
因为有多组数据,要注意初始化数组。
参考代码
#include <algorithm> #include <iostream> #include <vector> constexpr int MN = 100005; int N, M, Q, cnt; std::vector<int> G[MN], T[MN * 2]; int dfn[MN * 2], low[MN], dfc; int stk[MN], tp; void Tarjan(int u) { // 求点双,准备建树 low[u] = dfn[u] = ++dfc; stk[++tp] = u; for (int v : G[u]) { if (!dfn[v]) { Tarjan(v); low[u] = std::min(low[u], low[v]); if (low[v] == dfn[u]) { ++cnt; for (int x = 0; x != v; --tp) { x = stk[tp]; T[cnt].push_back(x); T[x].push_back(cnt); } T[cnt].push_back(u); T[u].push_back(cnt); } } else low[u] = std::min(low[u], dfn[v]); } } int dep[MN * 2], faz[MN * 2][18], dis[MN * 2]; void DFS(int u, int fz) { dfn[u] = ++dfc; dep[u] = dep[faz[u][0] = fz] + 1; dis[u] = dis[fz] + (u <= N); for (int j = 0; j < 17; ++j) faz[u][j + 1] = faz[faz[u][j]][j]; for (int v : T[u]) if (v != fz) DFS(v, u); } int LCA(int x, int y) { // 最近公共祖先 if (dep[x] < dep[y]) std::swap(x, y); for (int j = 0, d = dep[x] - dep[y]; d; ++j, d >>= 1) if (d & 1) x = faz[x][j]; if (x == y) return x; for (int j = 17; ~j; --j) if (faz[x][j] != faz[y][j]) x = faz[x][j], y = faz[y][j]; return faz[x][0]; } using std::cin; using std::cout; int main() { cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false); int Ti; cin >> Ti; while (Ti--) { cin >> N >> M; for (int i = 1; i <= N; ++i) { G[i].clear(); dfn[i] = low[i] = 0; } for (int i = 1; i <= N * 2; ++i) T[i].clear(); for (int i = 1, x, y; i <= M; ++i) { cin >> x >> y; G[x].push_back(y); G[y].push_back(x); } cnt = N; dfc = 0, Tarjan(1), --tp; dfc = 0, DFS(1, 0); cin >> Q; while (Q--) { static int S, A[MN]; cin >> S; int Ans = -2 * S; for (int i = 1; i <= S; ++i) cin >> A[i]; std::sort(A + 1, A + S + 1, [](int i, int j) { return dfn[i] < dfn[j]; }); for (int i = 1; i <= S; ++i) { int u = A[i], v = A[i % S + 1]; Ans += dis[u] + dis[v] - 2 * dis[LCA(u, v)]; } if (LCA(A[1], A[S]) <= N) Ans += 2; cout << Ans / 2 << '\n'; } } return 0; }
习题
外部链接
immortalCO,圆方树——处理仙人掌的利器,Universal OJ。