logo

LCA per a l'arbre n-ari | Consulta constant O(1)

Hem vist diversos mètodes amb diferents complexitats temporals per calcular l'ACV a l'arbre n-ari: -

Mètode 1: Mètode ingenu (calculant el camí de l'arrel al node) | O(n) per consulta  
Mètode 2: Utilitzant la descomposició Sqrt | O (h quadrat)  
Mètode 3: Utilitzant l'enfocament Sparse Matrix DP | O (inici de sessió) 

Estudiem un altre mètode que té un temps de consulta més ràpid que tots els mètodes anteriors. Per tant, el nostre objectiu serà calcular l'LCA temps constant ~ O(1) . A veure com ho podem aconseguir. 

Mètode 4: ús de la consulta mínima d'interval 

Hem discutit LCA i RMQ per a arbre binari . Aquí discutim la conversió del problema LCA a problema RMQ per a l'arbre n-ari. 

  Pre-requisites:-     LCA in Binary Tree using RMQ     RMQ using sparse table  

Concepte clau: En aquest mètode reduirem el nostre problema LCA a un problema RMQ (Consulta mínima de rang) sobre una matriu estàtica. Un cop ho fem, relacionarem les consultes mínimes d'interval amb les consultes LCA necessàries. 

El primer pas serà descompondre l'arbre en una matriu lineal plana. Per fer-ho podem aplicar la caminada d'Euler. El passeig d'Euler donarà el recorregut de pre-ordre del gràfic. Per tant, realitzarem un Euler Walk a l'arbre i emmagatzemarem els nodes en una matriu mentre els visitem. Aquest procés redueix l'arbre > 16901489_1309372785813855_1903972436_n' title=


Ara pensem en termes generals: considerem dos nodes qualsevol de l'arbre. Hi haurà exactament un camí que connecti els dos nodes i el node que tingui el valor de profunditat més petit del camí serà l'LCA dels dos nodes donats.
Ara prengueu dos nodes diferents, per exemple en i v a la matriu de passeig d'Euler. Ara tots els elements del camí d'u a v estaran entre l'índex dels nodes u i v de la matriu de caminada d'Euler. Per tant, només hem de calcular el node amb la profunditat mínima entre l'índex del node u i el node v a la matriu d'Euler. 

Per a això mantindrem una altra matriu que contindrà la profunditat de tots els nodes corresponents a la seva posició en la matriu de caminada d'Euler perquè puguem aplicar-hi el nostre algorisme RMQ.

A continuació es mostra la matriu Euler Walk paral·lela a la seva matriu de pistes de profunditat. 

16934185_1309372782480522_1333490382_n' title=

per cada java


Exemple: - Considereu dos nodes node 6 i node 7 a la matriu euler. Per calcular l'LCA del node 6 i del node 7 mirem el valor de profunditat més petit per a tots els nodes entre el node 6 i el node 7. 
Per tant node 1 té el més petit valor de profunditat = 0 i per tant és l'LCA per al node 6 i el node 7.

' title=

Implementació: -  

We will be maintaining three arrays   1)  Euler Path   2)  Depth array   3)  First Appearance Index

Euler Path i Depth matriu són els mateixos que s'han descrit anteriorment

Índex de primera aparició FAI[] : La matriu d'índex de First Appearance emmagatzemarà l'índex de la primera posició de cada node de la matriu d'Euler Path. FAI[i] = Primera aparició del node iè a la matriu Euler Walk. 

A continuació es detalla la implementació del mètode anterior:

Implementació:

corda al c
C++
// C++ program to demonstrate LCA of n-ary tree // in constant time. #include 'bits/stdc++.h' using namespace std; #define sz 101 vector < int > adj[sz]; // stores the tree vector < int > euler; // tracks the eulerwalk vector < int > depthArr; // depth for each node corresponding  // to eulerwalk int FAI[sz]; // stores first appearance index of every node int level[sz]; // stores depth for all nodes in the tree int ptr; // pointer to euler walk int dp[sz][18]; // sparse table int logn[sz]; // stores log values int p2[20]; // stores power of 2 void buildSparseTable(int n) {  // initializing sparse table  memset(dp-1sizeof(dp));  // filling base case values  for (int i=1; i<n; i++)  dp[i-1][0] = (depthArr[i]>depthArr[i-1])?i-1:i;  // dp to fill sparse table  for (int l=1; l<15; l++)  for (int i=0; i<n; i++)  if (dp[i][l-1]!=-1 and dp[i+p2[l-1]][l-1]!=-1)  dp[i][l] =  (depthArr[dp[i][l-1]]>depthArr[dp[i+p2[l-1]][l-1]])?  dp[i+p2[l-1]][l-1] : dp[i][l-1];  else  break; } int query(int lint r) {  int d = r-l;  int dx = logn[d];  if (l==r) return l;  if (depthArr[dp[l][dx]] > depthArr[dp[r-p2[dx]][dx]])  return dp[r-p2[dx]][dx];  else  return dp[l][dx]; } void preprocess() {  // memorizing powers of 2  p2[0] = 1;  for (int i=1; i<18; i++)  p2[i] = p2[i-1]*2;  // memorizing all log(n) values  int val = 1ptr=0;  for (int i=1; i<sz; i++)  {  logn[i] = ptr-1;  if (val==i)  {  val*=2;  logn[i] = ptr;  ptr++;  }  } } /**  * Euler Walk ( preorder traversal)  * converting tree to linear depthArray  * Time Complexity : O(n)  * */ void dfs(int curint prevint dep) {  // marking FAI for cur node  if (FAI[cur]==-1)  FAI[cur] = ptr;  level[cur] = dep;  // pushing root to euler walk  euler.push_back(cur);  // incrementing euler walk pointer  ptr++;  for (auto x:adj[cur])  {  if (x != prev)  {  dfs(xcurdep+1);  // pushing cur again in backtrack  // of euler walk  euler.push_back(cur);  // increment euler walk pointer  ptr++;  }  } } // Create Level depthArray corresponding // to the Euler walk Array void makeArr() {  for (auto x : euler)  depthArr.push_back(level[x]); } int LCA(int uint v) {  // trivial case  if (u==v)  return u;  if (FAI[u] > FAI[v])  swap(uv);  // doing RMQ in the required range  return euler[query(FAI[u] FAI[v])]; } void addEdge(int uint v) {  adj[u].push_back(v);  adj[v].push_back(u); } int main(int argc char const *argv[]) {  // constructing the described tree  int numberOfNodes = 8;  addEdge(12);  addEdge(13);  addEdge(24);  addEdge(25);  addEdge(26);  addEdge(37);  addEdge(38);  // performing required precalculations  preprocess();  // doing the Euler walk  ptr = 0;  memset(FAI-1sizeof(FAI));  dfs(100);  // creating depthArray corresponding to euler[]  makeArr();  // building sparse table  buildSparseTable(depthArr.size());  cout << 'LCA(67) : ' << LCA(67) << 'n';  cout << 'LCA(64) : ' << LCA(64) << 'n';  return 0; } 
Java
// Java program to demonstrate LCA of n-ary // tree in constant time. import java.util.ArrayList; import java.util.Arrays; class GFG{ static int sz = 101; @SuppressWarnings('unchecked') // Stores the tree static ArrayList<Integer>[] adj = new ArrayList[sz];  // Tracks the eulerwalk static ArrayList<Integer> euler = new ArrayList<>();  // Depth for each node corresponding static ArrayList<Integer> depthArr = new ArrayList<>();  // to eulerwalk // Stores first appearance index of every node static int[] FAI = new int[sz];  // Stores depth for all nodes in the tree static int[] level = new int[sz];  // Pointer to euler walk static int ptr; // Sparse table static int[][] dp = new int[sz][18]; // Stores log values static int[] logn = new int[sz]; // Stores power of 2 static int[] p2 = new int[20]; static void buildSparseTable(int n) {    // Initializing sparse table  for(int i = 0; i < sz; i++)  {  for(int j = 0; j < 18; j++)   {  dp[i][j] = -1;  }  }  // Filling base case values  for(int i = 1; i < n; i++)  dp[i - 1][0] = (depthArr.get(i) >   depthArr.get(i - 1)) ?   i - 1 : i;  // dp to fill sparse table  for(int l = 1; l < 15; l++)  for(int i = 0; i < n; i++)  if (dp[i][l - 1] != -1 &&  dp[i + p2[l - 1]][l - 1] != -1)  dp[i][l] = (depthArr.get(dp[i][l - 1]) >  depthArr.get(  dp[i + p2[l - 1]][l - 1])) ?   dp[i + p2[l - 1]][l - 1] :   dp[i][l - 1];  else  break; } static int query(int l int r)  {  int d = r - l;  int dx = logn[d];    if (l == r)  return l;    if (depthArr.get(dp[l][dx]) >   depthArr.get(dp[r - p2[dx]][dx]))  return dp[r - p2[dx]][dx];  else  return dp[l][dx]; } static void preprocess()  {    // Memorizing powers of 2  p2[0] = 1;  for(int i = 1; i < 18; i++)  p2[i] = p2[i - 1] * 2;  // Memorizing all log(n) values  int val = 1 ptr = 0;  for(int i = 1; i < sz; i++)   {  logn[i] = ptr - 1;  if (val == i)   {  val *= 2;  logn[i] = ptr;  ptr++;  }  } } // Euler Walk ( preorder traversal) converting // tree to linear depthArray  // Time Complexity : O(n) static void dfs(int cur int prev int dep) {    // Marking FAI for cur node  if (FAI[cur] == -1)  FAI[cur] = ptr;  level[cur] = dep;  // Pushing root to euler walk  euler.add(cur);  // Incrementing euler walk pointer  ptr++;  for(Integer x : adj[cur])  {  if (x != prev)  {  dfs(x cur dep + 1);  // Pushing cur again in backtrack  // of euler walk  euler.add(cur);  // Increment euler walk pointer  ptr++;  }  } } // Create Level depthArray corresponding // to the Euler walk Array static void makeArr() {  for(Integer x : euler)  depthArr.add(level[x]); } static int LCA(int u int v)  {    // Trivial case  if (u == v)  return u;  if (FAI[u] > FAI[v])  {  int temp = u;  u = v;  v = temp;  }  // Doing RMQ in the required range  return euler.get(query(FAI[u] FAI[v])); } static void addEdge(int u int v) {  adj[u].add(v);  adj[v].add(u); } // Driver code public static void main(String[] args) {  for(int i = 0; i < sz; i++)  {  adj[i] = new ArrayList<>();  }    // Constructing the described tree  int numberOfNodes = 8;  addEdge(1 2);  addEdge(1 3);  addEdge(2 4);  addEdge(2 5);  addEdge(2 6);  addEdge(3 7);  addEdge(3 8);  // Performing required precalculations  preprocess();  // Doing the Euler walk  ptr = 0;  Arrays.fill(FAI -1);  dfs(1 0 0);  // Creating depthArray corresponding to euler[]  makeArr();    // Building sparse table  buildSparseTable(depthArr.size());  System.out.println('LCA(67) : ' + LCA(6 7));  System.out.println('LCA(64) : ' + LCA(6 4)); } } // This code is contributed by sanjeev2552 
Python3
# Python program to demonstrate LCA of n-ary tree # in constant time. from typing import List # stores the tree adj = [[] for _ in range(101)] # tracks the eulerwalk euler = [] # depth for each node corresponding to eulerwalk depthArr = [] # stores first appearance index of every node FAI = [-1] * 101 # stores depth for all nodes in the tree level = [0] * 101 # pointer to euler walk ptr = 0 # sparse table dp = [[-1] * 18 for _ in range(101)] # stores log values logn = [0] * 101 # stores power of 2 p2 = [0] * 20 def buildSparseTable(n: int): # initializing sparse table for i in range(n): dp[i][0] = i-1 if depthArr[i] > depthArr[i-1] else i # dp to fill sparse table for l in range(1 15): for i in range(n): if dp[i][l-1] != -1 and dp[i+p2[l-1]][l-1] != -1: dp[i][l] = dp[i+p2[l-1]][l-1] if depthArr[dp[i][l-1] ] > depthArr[dp[i+p2[l-1]][l-1]] else dp[i][l-1] else: break def query(l: int r: int) -> int: d = r-l dx = logn[d] if l == r: return l if depthArr[dp[l][dx]] > depthArr[dp[r-p2[dx]][dx]]: return dp[r-p2[dx]][dx] else: return dp[l][dx] def preprocess(): global ptr # memorizing powers of 2 p2[0] = 1 for i in range(1 18): p2[i] = p2[i-1]*2 # memorizing all log(n) values val = 1 ptr = 0 for i in range(1 101): logn[i] = ptr-1 if val == i: val *= 2 logn[i] = ptr ptr += 1 def dfs(cur: int prev: int dep: int): global ptr # marking FAI for cur node if FAI[cur] == -1: FAI[cur] = ptr level[cur] = dep # pushing root to euler walk euler.append(cur) # incrementing euler walk pointer ptr += 1 for x in adj[cur]: if x != prev: dfs(x cur dep+1) # pushing cur again in backtrack # of euler walk euler.append(cur) # increment euler walk pointer ptr += 1 # Create Level depthArray corresponding # to the Euler walk Array def makeArr(): global depthArr for x in euler: depthArr.append(level[x]) def LCA(u: int v: int) -> int: # trivial case if u == v: return u if FAI[u] > FAI[v]: u v = v u # doing RMQ in the required range return euler[query(FAI[u] FAI[v])] def addEdge(u v): adj[u].append(v) adj[v].append(u) # constructing the described tree numberOfNodes = 8 addEdge(1 2) addEdge(1 3) addEdge(2 4) addEdge(2 5) addEdge(2 6) addEdge(3 7) addEdge(3 8) # performing required precalculations preprocess() # doing the Euler walk ptr = 0 FAI = [-1] * (numberOfNodes + 1) dfs(1 0 0) # creating depthArray corresponding to euler[] makeArr() # building sparse table buildSparseTable(len(depthArr)) print('LCA(67) : ' LCA(6 7)) print('LCA(64) : ' LCA(6 4)) 
C#
// C# program to demonstrate LCA of n-ary // tree in constant time. using System; using System.Collections.Generic; public class GFG {  static int sz = 101;  // Stores the tree  static List<int>[] adj = new List<int>[sz];    // Tracks the eulerwalk  static List<int> euler = new List<int>();    // Depth for each node corresponding  static List<int> depthArr = new List<int>();    // to eulerwalk  // Stores first appearance index of every node  static int[] FAI = new int[sz];    // Stores depth for all nodes in the tree  static int[] level = new int[sz];    // Pointer to euler walk  static int ptr;    // Sparse table  static int[] dp = new int[sz 18];    // Stores log values  static int[] logn = new int[sz];    // Stores power of 2  static int[] p2 = new int[20];    static void buildSparseTable(int n)  {  // Initializing sparse table  for(int i = 0; i < sz; i++)  {  for(int j = 0; j < 18; j++)   {  dp[ij] = -1;  }  }    // Filling base case values  for(int i = 1; i < n; i++)  dp[i - 10] = (depthArr[i] > depthArr[i - 1]) ? i - 1 : i;    // dp to fill sparse table  for(int l = 1; l < 15; l++)  for(int i = 0; i < n; i++)  if (dp[il - 1] != -1 && dp[i + p2[l - 1]l - 1] != -1)  dp[il] = (depthArr[dp[il - 1]] > depthArr[dp[i + p2[l - 1]l - 1]]) ? dp[i + p2[l - 1]l - 1] : dp[il - 1];  else  break;  }    static int query(int l int r)   {  int d = r - l;  int dx = logn[d];    if (l == r)  return l;    if (depthArr[dp[ldx]] > depthArr[dp[r - p2[dx]dx]])  return dp[r - p2[dx]dx];  else  return dp[ldx];  }    static void preprocess()   {  // Memorizing powers of 2  p2[0] = 1;  for(int i = 1; i < 18; i++)  p2[i] = p2[i - 1] * 2;    // Memorizing all log(n) values  int val = 1 ptr = 0;  for(int i = 1; i < sz; i++)   {  logn[i] = ptr - 1;  if (val == i)   {  val *= 2;  logn[i] = ptr;  ptr++;  }  }  }    // Euler Walk ( preorder traversal) converting  // tree to linear depthArray   // Time Complexity : O(n)  static void dfs(int cur int prev int dep)  {  // Marking FAI for cur node  if (FAI[cur] == -1)  FAI[cur] = ptr;    level[cur] = dep;    // Pushing root to euler walk  euler.Add(cur);    // Incrementing euler walk pointer  ptr++;    foreach (int x in adj[cur])  {  if (x != prev)  {  dfs(x cur dep + 1);    euler.Add(cur);    ptr++;  }  }  }    // Create Level depthArray corresponding  // to the Euler walk Array  static void makeArr()  {  foreach (int x in euler)  depthArr.Add(level[x]);  }    static int LCA(int u int v)   {  // Trivial case  if (u == v)  return u;    if (FAI[u] > FAI[v])  {  int temp = u;  u = v;  v = temp;  }    // Doing RMQ in the required range  return euler[query(FAI[u] FAI[v])];  }    static void addEdge(int u int v)  {  adj[u].Add(v);  adj[v].Add(u);  }  // Driver Code  static void Main(string[] args)  {  int sz = 9;  adj = new List<int>[sz];  for (int i = 0; i < sz; i++)  {  adj[i] = new List<int>();  }  // Constructing the described tree  int numberOfNodes = 8;  addEdge(1 2);  addEdge(1 3);  addEdge(2 4);  addEdge(2 5);  addEdge(2 6);  addEdge(3 7);  addEdge(3 8);  // Performing required precalculations  preprocess();  // Doing the Euler walk  ptr = 0;  Array.Fill(FAI -1);  dfs(1 0 0);  // Creating depthArray corresponding to euler[]  makeArr();  // Building sparse table  buildSparseTable(depthArr.Count);  Console.WriteLine('LCA(67) : ' + LCA(6 7));  Console.WriteLine('LCA(64) : ' + LCA(6 4));  }   } // This code is contributed by Prince Kumar 
JavaScript
let adj = []; for (let _ = 0; _ < 101; _++) {  adj.push([]); } // tracks the eulerwalk let euler = []; // depth for each node corresponding to eulerwalk let depthArr = []; // stores first appearance index of every node let FAI = new Array(101).fill(-1); // stores depth for all nodes in the tree let level = new Array(101).fill(0); // pointer to euler walk let ptr = 0; // sparse table let dp = []; for (let _ = 0; _ < 101; _++) {  dp.push(new Array(18).fill(-1)); } // stores log values let logn = new Array(101).fill(0); // stores power of 2 let p2 = new Array(20).fill(0); function buildSparseTable(n) {  // initializing sparse table  for (let i = 0; i < n; i++) {  dp[i][0] = i - 1 >= 0 && depthArr[i] > depthArr[i - 1] ? i - 1 : i;  }  // dp to fill sparse table  for (let l = 1; l < 15; l++) {  for (let i = 0; i < n; i++) {  if (  dp[i][l - 1] !== -1 &&  dp[i + p2[l - 1]][l - 1] !== -1  ) {  dp[i][l] =  depthArr[dp[i][l - 1]] >  depthArr[dp[i + p2[l - 1]][l - 1]]  ? dp[i + p2[l - 1]][l - 1]  : dp[i][l - 1];  } else {  break;  }  }  } } function query(l r) {  let d = r - l;  let dx = logn[d];  if (l === r) {  return l;  }  if (depthArr[dp[l][dx]] > depthArr[dp[r - p2[dx]][dx]]) {  return dp[r - p2[dx]][dx];  } else {  return dp[l][dx];  } } function preprocess() {  // memorizing powers of 2  p2[0] = 1;  for (let i = 1; i < 18; i++) {  p2[i] = p2[i - 1] * 2;  }  // memorizing all log(n) values  let val = 1;  ptr = 0;  for (let i = 1; i < 101; i++) {  logn[i] = ptr - 1;  if (val === i) {  val *= 2;  logn[i] = ptr;  ptr += 1;  }  } } function dfs(cur prev dep) {  // marking FAI for cur node  if (FAI[cur] === -1) {  FAI[cur] = ptr;  }  level[cur] = dep;  // pushing root to euler walk  euler.push(cur);  // incrementing euler walk pointer  ptr += 1;  for (let x of adj[cur]) {  if (x !== prev) {  dfs(x cur dep + 1);  // pushing cur again in backtrack  // of euler walk  euler.push(cur);  // increment euler walk pointer  ptr += 1;  }  } } // Create Level depthArray corresponding // to the Euler walk Array function makeArr() {  for (let x of euler) {  depthArr.push(level[x]);  } } function LCA(u v) {  // trivial case  if (u === v) {  return u;  }  if (FAI[u] > FAI[v]) {  [u v] = [v u];  }  // doing RMQ in the required range  return euler[query(FAI[u] FAI[v])]; } function addEdge(u v) {  adj[u].push(v);  adj[v].push(u); } // constructing the described tree let numberOfNodes = 8; addEdge(1 2); addEdge(1 3); addEdge(2 4); addEdge(2 5); addEdge(2 6); addEdge(3 7); addEdge(3 8); // performing required precalculations preprocess(); // doing the Euler walk ptr = 0; FAI = new Array(numberOfNodes + 1).fill(-1); dfs(1 0 0); // creating depthArray corresponding to euler[] makeArr(); // building sparse table buildSparseTable(depthArr.length); console.log('LCA(67) : ' LCA(6 7)); console.log('LCA(64) : ' LCA(6 4)); 

Sortida
LCA(67) : 1 LCA(64) : 2

Nota: Estem calculant prèviament tota la potència requerida de 2 i també precalculant tots els valors de registre necessaris per garantir una complexitat de temps constant per consulta. En cas contrari, si féssim càlculs de registre per a cada operació de consulta, la nostra complexitat de temps no hauria estat constant.

Complexitat temporal: El procés de conversió de LCA a RMQ el fa Euler Walk que porta O(n) temps. 
El preprocessament de la taula escassa a RMQ pren temps O(nlogn) i respondre cada consulta és un procés de temps constant. Per tant, la complexitat temporal global és O(nlogn) - preprocessament i O(1) per a cada consulta.

Espai auxiliar: O(n+s)

 

Crea un qüestionari