这是 LeetCode 上的 「834. 树中距离之和」 ,难度为 「困难」。
Tag : 「树形 DP」、「DFS」、「动态规划」、「树」
给定一个无向、连通的树。
树中有 n
个标记为 0...n-1
的节点以及 n-1
条边 。
给定整数 n
和数组 edges
, 表示树中的节点 和 之间有一条边。
返回长度为 n
的数组 answer
,其中 answer[i]
是树中第 i
个节点与所有其他节点之间的距离之和。
输入: n = 6, edges = [[0,1],[0,2],[2,3],[2,4],[2,5]]
输出: [8,12,6,10,10,10]
解释: 树如图所示。
我们可以计算出 dist(0,1) + dist(0,2) + dist(0,3) + dist(0,4) + dist(0,5)
也就是 1 + 1 + 2 + 2 + 2 = 8。 因此,answer[0] = 8,以此类推。
示例 2:
输入: n = 1, edges = []
输出: [0]
示例 3:
输入: n = 2, edges = [[1,0]]
输出: [1,1]
提示:
对于树形 DP,可以随便以某个节点为根,把整棵树“拎起来”进行分析,通常还会以“方向”作为切入点进行思考。
不妨以编号为 0
的节点作为根节点进行分析:假设当前处理到的节点为 u
,当前节点 u
的父节点为 fa
,同时 u
有若干子节点 j
。
对于任意节点 u
而言,其树中距离之和可根据「方向/位置」分为两大类(对应示例图的左右两部分):
u
“往下”延伸所达的节点距离之和,即所有经过 u -> j
边所能访问到的节点距离之和 u
“往上”延伸所达的节点距离之和,即经过 u -> fa
边所能访问到的节点距离之和 假设我们能够用 和 预处理出每个节点“往下”和“往上”的距离之和,那么就有 。
不失一般性分别考虑 和 该如何计算。
为了方便,起始先用「链式前向星」对 edges
进行转存,同时在递归计算 时,将父节点 fa
也进行传递,从而避免遍历节点 u
的出边时,重新走回 fa
。
对于叶子节点(没有“往下”出边的节点),我们有 的天然条件,计算好的叶子节点值可用于更新其父节点,因此 求解 是一个「从下往上」的递推过程。
假设当前处理到的节点是 u
,往下节点有 、 和 ,且所有 均已计算完成。
由于 是由所有存在“往下”出边的节点 j
贡献而来。而单个子节点 j
来说,其对 的贡献应当是:在所有原有节点到节点 j
的距离路径中,额外增加一条当前出边(u -> j
),再加上 1
(代表节点 u
到节点 j
的距离)。
原路径距离之和恰好是 ,额外需要增加的出边数量为原来参与计算 的点的数量(即挂载在节点 j
下的数量),因此我们还需要一个 c
数组,来记录某个节点下的子节点数量。
最终的 为所有符合条件的节点的 j
的 的总和。
对于树形 DP 题目,“往下”的计算往往是容易的,而“往上”的计算则是稍稍麻烦。
假设当前我们处理到节点为 u
,将要遍历的节点为 j
,考虑如何使用已经计算好的 来求解 。
这里为什么是求解 ,而不是 呢?
因为我们求解的方向是“往上”的部分,必然是用父节点的计算结果,来推导子节点的结果,即 求解 是一个「从上往下」的过程。
对于树形 DP ,通常需要对“往上”进一步拆分:「往上再往上」和「往上再往下」:
往上再往上:是指经过了 j -> u
后,还必然经过 u -> fa
这条边时,所能到达的节点距离之和:
这部分对 的贡献为:在所有原有节点到节点 u
的距离路径中,额外增加一条当前出边(u -> j
),增加当前出边的数量与节点数量相同,点数量为 ,含义为 总节点数量 减去 u
节点以及子节点数量。
即此部分对 的贡献为 。
往上再往下:是指经过了 j -> u
后,还经过「除 u -> j
以外」的其他“往下”边时,所能到达的节点距离之和:
这部分的计算需要先在 中剔除 的贡献,然后再加上额外边(u -> j
)的累加数量,同样也是节点数量。
从 中剔除 后为 ,而点的数量为 ,含义为在以节点 u
为根的子树中剔除调用以节点 j
为根节点的部分。
即此部分对 的贡献为 。
Java 代码:
class Solution {
int N = 30010, M = 60010, idx = 0, n;
int[] he = new int[N], e = new int[M], ne = new int[M];
int[] f = new int[N], c = new int[N], g = new int[N];
void add(int a, int b) {
e[idx] = b;
ne[idx] = he[a];
he[a] = idx++;
}
public int[] sumOfDistancesInTree(int _n, int[][] es) {
n = _n;
Arrays.fill(he, -1);
for (int[] e : es) {
int a = e[0], b = e[1];
add(a, b); add(b, a);
}
dfs1(0, -1);
dfs2(0, -1);
int[] ans = new int[n];
for (int i = 0; i < n; i++) ans[i] = f[i] + g[i];
return ans;
}
int[] dfs1(int u, int fa) {
int tot = 0, cnt = 0;
for (int i = he[u]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (j == fa) continue;
int[] next = dfs1(j, u);
tot += next[0] + next[1] + 1; cnt += next[1] + 1;
}
f[u] = tot; c[u] = cnt;
return new int[]{tot, cnt};
}
void dfs2(int u, int fa) {
for (int i = he[u]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (j == fa) continue;
g[j] += g[u] + n - 1 - c[u]; // 往上再往上
g[j] += f[u] - f[j] - c[j] + c[u] - 1 - c[j]; // 往上再往下
dfs2(j, u);
}
}
}
这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.834
篇,系列开始于 2021/01/01,截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目,部分是有锁题,我们将先把所有不带锁的题目刷完。
在这个系列文章里面,除了讲解解题思路以外,还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。
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