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  • 后缀数组入门(二)——Height数组与LCP

    前言

    看这篇博客前,先去了解一下后缀数组的基本操作吧:后缀数组入门(一)——后缀排序

    这篇博客的内容,主要建立于后缀排序的基础之上,进一步研究一个(Height)数组以及如何求(LCP)

    什么是(LCP)

    (LCP),即(Longest Common Prefix),是最长公共前缀的意思。

    而在后缀数组中,(LCP(i,j))表示后缀(_{SA_i})与后缀(_{SA_j})的最长公共前缀的长度,注意是(SA_i)(SA_j),而不是(i)(j)

    (LCP)的性质

    先是几个比较简单的基本性质:

    • (LCP(i,j)=LCP(j,i))

      这应该是比较显然的。

    • (LCP(i,i)=n-SA_i+1)

      这个性质非常重要,因为在求(LCP)的过程中要特判该情况,不然会死得特别惨

    接下来,是一些比较复杂的性质:

    • (LCP(i,j)=min(LCP(i,k),LCP(j,k)))(对于任意(1le ile kle j)

      首先,设(x=min(LCP(i,k),LCP(j,k))),则可得(LCP(i,k)ge x,LCP(j,k)ge x)

      因此我们可以知道后缀(_{SA_i}),后缀(_{SA_j})的前(x)个字符分别与后缀(_{SA_k})的前(x)个字符相等

      后缀(_{SA_i}),后缀(_{SA_j})的前(x)个字符相等,即(LCP(i,j)ge x)

      而由于后缀(_{SA_i}<)后缀(_{SA_k}<)后缀(_{SA_{j}}),且由(x=min(LCP(i,k),LCP(j,k)))可得,(LCP(i,j)le x)

      (LCP(i,j)=x)

    • (LCP(i,j)=min_{k=i+1}^jLCP(k,k-1))

      (LCP(i,j)=min(LCP(i,k),LCP(j,k)))这个性质,我们可以把(LCP(i,j))拆成(j-i)个部分,分别为(LCP(i+1,i),LCP(i+2,i+1),...,LCP(j,j-1))

      然后再取(min)即可。

    这两个性质虽然看似令人匪夷所思,但仔细理解其实还是能看懂的。

    这两个性质在(LCP)的求解过程中发挥着十分重要的作用。

    (Height)数组

    为了方便求解(LCP),我们需要在定义一个新的数组:(Height)数组。

    (Height_i)表示的是(LCP(i,i-1))

    因此(LCP(i,j))的结果就是(min_{k=i+1}^jHeight_i),这似乎可以在知道(Height)数组的情况下用(RMQ)实现(O(1))求解。

    于是关键来了:如何求出(Height)数组。

    如何求(Height)数组

    首先我们要知道一个性质(Height_{i}ge Height_{i-1}-1)

    这个性质我也不会证,反正它还是挺简单的,背一下就好了

    这样一来,我们每次可以把(Height_{i})初始化为(Height_{i-1}-1),然后每次尽量向外延长即可,这一过程似乎与(Manacher)算法有点类似。

    代码

    放一份求(Height)数组及(LCP)的模板代码:

    class Class_SuffixArray
    {
        private:
            int n,SA[N+5],Height[N+5],rk[N+5],pos[N+5],tot[N+5];
            inline void RadixSort(int S)//基数排序
            {
                register int i;
                for(i=0;i<=S;++i) tot[i]=0;
                for(i=1;i<=n;++i) ++tot[rk[i]];
                for(i=1;i<=S;++i) tot[i]+=tot[i-1];
                for(i=n;i;--i) SA[tot[rk[pos[i]]]--]=pos[i];
            }
            inline void GetSA(char *s)//后缀排序,求SA数组
            {
                register int i,k,Size=122,cnt=0;
                for(i=1;i<=n;++i) rk[pos[i]=i]=s[i-1];
                for(RadixSort(Size),k=1;cnt<n;k<<=1)
                {
                    for(Size=cnt,cnt=0,i=1;i<=k;++i) pos[++cnt]=n-k+i;
                    for(i=1;i<=n;++i) SA[i]>k&&(pos[++cnt]=SA[i]-k);
                    for(RadixSort(Size),i=1;i<=n;++i) pos[i]=rk[i];
                    for(rk[SA[1]]=cnt=1,i=2;i<=n;++i) rk[SA[i]]=(pos[SA[i-1]]^pos[SA[i]]||pos[SA[i-1]+k]^pos[SA[i]+k])?++cnt:cnt;
                }
            }
            inline void GetHeight(char *s)//求Height数组
            {
                register int i,j,k=0;
                for(i=1;i<=n;++i) rk[SA[i]]=i;//更新rk数组
                for(i=1;i<=n;++i)
                {
                    if(k&&--k,!(rk[i]^1)) continue;//对于rk[i]=1的情况直接跳过
                    j=SA[rk[i]-1];//找到上一个后缀的坐标
                    while(i+k<=n&&j+k<=n&&!(s[i+k-1]^s[j+k-1])) ++k;//尽量拓展
                    Height[rk[i]]=k;//存值
                }
            }
            class Class_RMQ//RMQ求区间最值
            {
                private:
                    #define LogN 15
                    int Log2[N+5],Min[N+5][LogN+5];
                public:
                    inline void Init(int len,int *data)
                    {
                        register int i,j;
                        for(i=2;i<=len;++i) Log2[i]=Log2[i>>1]+1;
                        for(i=1;i<=len;++i) Min[i][0]=data[i];
                        for(j=1;(1<<j-1)<=len;++j) for(i=1;i+(1<<j-1)<=len;++i) Min[i][j]=min(Min[i][j-1],Min[i+(1<<j-1)][j-1]);
                    }
                    inline int GetMin(int l,int r) {register int k=Log2[r-l+1];return min(Min[l][k],Min[r-(1<<k)+1][k]);}
            }RMQ;
        public:
            inline void Init(int len,char *s) {n=len,GetSA(s),GetHeight(s),RMQ.Init(n,Height);}//初始化
            inline int LCP(int x,int y) {return x^y?(rk[x]>rk[y]&&swap(x,y),RMQ.GetMin(rk[x]+1,rk[y])):n-x+1;}//求LCP,注意特判x=y的情况
    };
    
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