倍增LCA

前言

在做树上问题时,我们经常会遇到 L C A LCA LCA(最近公共祖先)问题。曾经的我遇到这类问题只会 O ( n ) O(n) O(n)暴力求解,学了倍增 L C A LCA LCA,就可以 O ( l o g n ) O(logn) O(logn)解决了。


简介

倍增 L C A LCA LCA,顾名思义,就是利用倍增来求解 L C A LCA LCA(这真的是简介)。


主要思路

  • 我们可以用 f a [ i ] [ j ] fa[i][j] fa[i][j]来记录 i i i的第 2 j 2^j 2j个祖先。
  • 然后,对于每一次询问 L C A ( x , y ) LCA(x,y) LCA(x,y),我们先找到 x x x y y y最近的深度相同的祖先。
  • 接下来,我们先倍增找到最近的 x x x y y y的刚好为 2 j 2^j 2j的公共祖先。
  • 然后,我们不断减小 j j j,若当前 f a [ x ] [ j ] ! = f a [ y ] [ j ] fa[x][j]!=fa[y][j] fa[x][j]!=fa[y][j],我们就更新 x = f a [ x ] [ j ] x=fa[x][j] x=fa[x][j] y = f a [ y ] [ j ] y=fa[y][j] y=fa[y][j],这样就可以保证修改后 f a [ x ] [ j ] = f a [ y ] [ j ] fa[x][j]=fa[y][j] fa[x][j]=fa[y][j]了。
一个简短的证明

因为我们已经保证修改前的 f a [ x ] [ j + 1 ] = f a [ y ] [ j + 1 ] fa[x][j+1]=fa[y][j+1] fa[x][j+1]=fa[y][j+1]
并且,显然可得, f a [ f a [ x ] [ j ] ] [ j ] = f a [ x ] [ j + 1 ] fa[fa[x][j]][j]=fa[x][j+1] fa[fa[x][j]][j]=fa[x][j+1] f a [ f a [ y ] [ j ] ] [ j ] = f a [ y ] [ j + 1 ] fa[fa[y][j]][j]=fa[y][j+1] fa[fa[y][j]][j]=fa[y][j+1] x x x的第 2 j 2^j 2j个祖先的第 2 j 2^j 2j个祖先即为 x x x的第 2 j + 1 2^{j+1} 2j+1个祖先, y y y同理)
因此,修改后的 f a [ x ] [ j ] fa[x][j] fa[x][j] f a [ y ] [ j ] fa[y][j] fa[y][j]就等同于修改前的 f a [ x ] [ j + 1 ] fa[x][j+1] fa[x][j+1] f a [ y ] [ j + 1 ] fa[y][j+1] fa[y][j+1]
得证,我们可以保证修改后 f a [ x ] [ j ] = f a [ y ] [ j ] fa[x][j]=fa[y][j] fa[x][j]=fa[y][j]

  • 最后返回 f a [ x ] [ 0 ] fa[x][0] fa[x][0]即可。

代码

inline int LCA(int x,int y)//求x和y的最近公共祖先
{
	register int i;int k;
	if(dep[x]<dep[y]) swap(x,y);//比较x和y的深度,选择深度较大的节点,寻找它的与深度较小的节点深度一样的祖先
	for(i=0;dep[x]^dep[y];++i) if((dep[x]^dep[y])&(1<<i)) x=fa[x][i];//如上
	if(!(x^y)) return x;//如果x==y,返回x
	for(k=0;fa[x][k]^fa[y][k];++k);//我们先倍增找到最近的x和y的刚好为2^j的公共祖先
	for(;k>=0;--k) if(fa[x][k]^fa[y][k]) x=fa[x][k],y=fa[y][k];//不断减小j,若当前fa[x][j]!=fa[y][j],我们就更新x=fa[x][j],y=fa[y][j]
	return fa[x][0];//最后返回x的父亲
}

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