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LCA|最近公共祖先 详解

发布于 2023-07-16| 更新于 2024-09-27

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LCA介绍

和它的全称一样，lca（LowestCommonAncestorLowest Common Ancestor）目的就是任意两个点最近的公共祖先在哪

性质 （或许你不需要记这个）

From OI-wiki

为了方便，我们记某点集 S={v1,v2,...,vn}S = \left\{ v_1,v_2,...,v_n \right\} 的最近公共祖先为 LCA(v1,v2,...,vn)LCA(v_1,v_2,...,v_n) 或 LCA(S)LCA(S)

  1. LCA({u})=uLCA(\left\{u\right\}) = u ;

  2. 若 uu 是 vv 的祖先，当且仅当 LCA(u,v)=uLCA(u, v) = u ;

  3. 如果 uu 不为 vv 的祖先，并且 vv 不为 uu 的祖先，那么 u,vu, v 分别处于 LCA(u,v)LCA(u, v) 的两颗不同子树中 ;

  4. 前序遍历中， LCA(S)LCA(S) 出现在所有 SS 元素之前，后续遍历中 LCA(S)LCA(S) 则出现在所有 SS 元素之后 ;

  5. 两点集并的最近公共祖先为两点集分别的最近公共祖先，即
    LCA(A∪B)=LCA(LCA(A),LCA(B))\qquad LCA(A \cup B) = LCA(LCA(A), LCA(B)) ;

  6. 两点的最近公共祖先必定处在树上两点间的最短路上 ;

  7. d(u,v)=h(u)+h(v)−2×h(LCA(u,v))d(u, v) = h(u) + h(v) - 2 \times h(LCA(u, v))

其中 dd 是树上两点间的距离， hh 代表某点到树根的距离 (dep)(dep) ;

朴素求法

朴素求LCA的想法很简单，只要一层层往上走直到两个点相同即可（但是有很多小细节需要注意）。

​ 1.计算每个点的父节点以及每个点的深度（到父节点的距离）显然，我们需要定义dep[N], root[N]两 个数组来分别存储 ii 点的深度和 ii 点的父节点，在求LCA需要先跑一遍dfs。

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/*
调用函数时，传入根节点，显然根节点并没有父节点，所以_root可以传入0 形如 init_root(1, 0);
之后在计算dep[N]数组的时候不用特判，直接在dep[0]的基础上加1，深度就是1（当然你的dep[0]需要初始化）
*/
void init_root(int x, int _root){//x代表当前节点，_root代表当前节点的父节点
    root[x] = _root;//存储x点的父节点
    dep[x] = dep[_root]+1;//存储x点的深度
    for(int i = 0; i < mp[x].size(); ++i){//dfs
        int y = mp[x][i];
        if(y == _root)continue;//不能往回走
        init_root(y, x);//下一个点
    }
}

​ 2.接下来就是LCA函数了，需要注意的是，对于 LCA(x,y)LCA(x, y) 其中 xx 的深度必须和 yy 相同才能一起往 上走不然就会~~（爱人错过），所以在网上走前需要把 xx 和 yy 的深度弄到相同。

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int lca(int x, int y){
    if(dep[x] < dep[y])swap(x, y);//永远让dep[x] > dep[y]这样后面就不用判断力
    while(dep[x] != dep[y]){
        x = root[x];//让x 和 y深度相同
    }
    while(x != y){//一起向上走
        x = root[x];
        y = root[y];
    }
    return x;//此时x == y返回谁都行
}

倍增求法

和朴素的求法不同，倍增求法用st表进行预处理，可以减少向上走的次数，从而减少复杂度。

因为需要减少向上走的次数，对于 st [i] [j] 存储的是从i点出发，走了(1<<j)个点到的位置。

​ 1.首先我们需要预处理。（dfs还是要跑的，但是在此处省略，和朴素LCA一样）

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void init_st(){
    for(int i = 1; i <= n; ++i){
        st[i][0] = root[i];//st表的初始状态：i走(1<<0)到的是i的父节点
    }

    for(int j = 1; (1<<j) <= n; ++j){//因为状态由j-1推到j,所以要先循环j
        for(int i = 1; i <= n; ++i){
            st[i][j] = st[st[i][j-1]][j-1];
            /*
            从i跳（1<<j）个点可以分解成先跳(1<<(j-1))个点，跳到st[i][j-1]，
            再从st[i][j-1]跳(1<<(j-1))个点到st[i][j]
            */
        }
    }
}

​ 2.接下来写LCA函数：这里需要对两个部分分别修改。

​ 2.1对于让 xx 和 yy 深度相同的部分，我们需要用到一些2进制的知识

​ 对于 xx ，需要向上走到步数是 xx 和 yy 的深度差。（向上走一步，深度-1）

​ 所以记录下 lenlen 为 xx 和 yy 的深度差。

​ 我们需要知道的是，lenlen 如何分解成 22 的次方相加（因为st表是以2的次方存储的）。

​ 举个栗子

​ 假设 len=100len = 100，转成二进制是 11001001100100 ，显然，

​ 只有对应位是1的位置才对总体的值有贡献，

​ 所以我们当位置存在 11 时，向上走(1<<i)个点就行了（i指对应的位数）

​ 这样，总共走的点数就会是 lenlen 。

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int len = dep[x]-dep[y];
int i = 0;//第几位
while(len != 0){//使得x, y深度相同 建议脑子里换成二进制理解
    if(len%2 == 1){//当前位置存在1
        x = st[x][i];//向上走
    }
    len /= 2;//或者右移 (len>>1);
    i++;
}
if(x == y)return x;//如果这个时候x == y就说明x和y在同一棵子树，没必要进行下一步了。

​ 2.2接下来需要 xx 和 yy 一起向上走。

​ 这里用到二分的思想，但是写法和常规二分不太一样。

​ 如果 xx 和 yy 一起跳了(1<<i)个点后，x == y了，说明跳过了

​ 它们最近的公共祖先深度必然<=当前点的深度。

​ 如图，对于5和4号点，显然跳过了它们的最近公共祖先

​ (顺手推荐下很方面画图的网站https://csacademy.com/app/graph_editor/)

​ 所以显然，我们需要在第一个 x’ != y’ 的地方更新x和y才能保证不走过。

​ (x’ 和 y’指在循环中走跳(1<<i)个点时到的点)

​ 这样得到的点应该是在 xx 和 yy 的最近公共祖先的前一个点，所以需要返回root[x]。

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//log2(n)函数在头文件cmath中，得以2为底n的对数
    for(int i = log2(n); i >= 0; --i){
        int _x = st[x][i];//在当前i下x和y跳到的位置
        int _y = st[y][i];
        if(_x == _y)continue;//当x和y跳到的位置相同，说明跳过了，x和y不更新
        x = _x;//更新以二分逼近x和y的最近公共祖先的子节点
        y = _y;
    }
    return root[x];

最后附上包含预处理的完整代码：

洛谷P3379 【模板】最近公共祖先（LCA）

模板题目也不能抄题解哦ヾ(•ω•`)o

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#include<iostream>
#include<vector>
#include<cstdio>
#include<cmath>
#define int long long
using namespace std;
const int N = 1e6;
vector<int> mp[N];
int n, m;
int dep[N], root[N], st[N][20];
/*
调用函数时，传入根节点，显然根节点并没有父节点，所以_root可以传入0 形如 init_root(1, 0);
之后在计算dep[N]数组的时候不用特判，直接在dep[0]的基础上加1，深度就是1（当然你的dep[0]需要初始化）
*/
void init_root(int x, int _root){//x代表当前节点，_root代表当前节点的父节点
    root[x] = _root;//存储x点的父节点
    dep[x] = dep[_root]+1;//存储x点的深度
    for(int i = 0; i < mp[x].size(); ++i){//dfs
        int y = mp[x][i];
        if(y == _root)continue;//不能往回走
        init_root(y, x);//下一个点
    }
}

void init_st(){
    for(int i = 1; i <= n; ++i){
        st[i][0] = root[i];//st表的初始状态：i走(1<<0)到的是i的父节点
    }

    for(int j = 1; (1<<j) <= n; ++j){//因为状态由j-1推到j,所以要先循环j
        for(int i = 1; i <= n; ++i){
            st[i][j] = st[st[i][j-1]][j-1];
            /*
            从i跳（1<<j）个点可以分解成先跳(1<<(j-1))个点，跳到st[i][j-1]，
            再从st[i][j-1]跳(1<<(j-1))个点到st[i][j]
            */
        }
    }
}

int lca(int x, int y){
    if(dep[x] < dep[y])swap(x, y);
    int len = dep[x]-dep[y];//按位取位权
    int i = 0;//第几位
    while(len != 0){//使得x, y深度相同 建议脑子里换成二进制理解
        if(len%2 == 1){//当前位置存在1
            x = st[x][i];//向上走
        }
        len /= 2;//或者右移 (len>>1);
        i++;
    }
    if(x == y)return x;//如果这个时候x == y就说明x和y在同一棵子树，没必要进行下一步了。
    //log2(n)函数在头文件cmath中，得以2为底n的对数
    for(int i = log2(n); i >= 0; --i){
        int _x = st[x][i];//在当前i下x和y跳到的位置
        int _y = st[y][i];
        if(_x == _y)continue;//当x和y跳到的位置相同，说明跳过了，x和y不更新
        x = _x;//更新以二分逼近x和y的最近公共祖先的子节点
        y = _y;
    }
    return root[x];
}

signed main(){
    cin >> n >> m;
    for(int i = 1; i <= n; ++i){
        int x, y;
        cin >> x >> y;
        mp[x].push_back(y);
    }
    init_root(1, 0);
    init_st();
    for(int i = 1; i <= m; ++i){
        int x, y;
        cin >> x >> y;
        cout << lca(x, y) << endl;
    }
    return 0;
}

例题

洛谷P9432 [NAPC-#1] rStage5 - Hard Conveyors

这里什么都没有捏😋

本文作者：Genkaim

本文链接： https://www.genkaim.top/posts/90748940

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