[CSP2019]树的重心

题目

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分析

原来数据的奇怪结尾就可以拿来判断特征呀

40pts ~ 55pts

太简单就不说了。

75pts

考虑完全二叉树怎么做。

这里需要注意一点，就是：(n=262143=2^{18}-1) ，也就是说，数据实际上就是一棵满二叉树。

由于满二叉树具有极强的对称性，我们不难想到这样解决：

首先，答案一定包含 (frac{n(n+1)}{2}-rt)，其中 (rt) 是树的根。

考虑根的左子树上深度为 (d) （根的深度为 (0) ）的节点，我们可以任选一个，计算出拆掉它和它父亲之间的边后，父亲那颗子树的贡献(t)。那么答案就应该加上 (2^{d-1} imes t) 。右子树同理。

这样计算就是 (O(nlog_2n)) 的。

这个部分还可以推出通项公式。该方法的依据是：

1 . 每个点拆掉了它和它父亲之后，它就是自己那部分的重心。

2 . 拆掉左边的任何边，根的右儿子一定是重心；拆掉右边，左儿子一定是重心。

3 . 拆掉一个叶子和它父亲连的边，根一定是重心。

然后就可以利用上述依据 (O(n)) 计算答案了。

100pts

为了方便，以下设 (siz_u) 表示 (u) 的子树的大小。

首先我们需要非常重要的一点：

对于在一个大小为 (n) 的树上的点 (u) ，若 (n-siz_ule lfloorfrac n 2 floor) ，且它不是重心，那么重心一定在 (u) 的重子树内。

看起来很好理解吧？考虑简单地说明一下。

假如 (u) 有 (k) 个重儿子，那么每个重儿子的 (sizle frac {siz_u} kle lfloorfrac n 2 floor) 。那么 (u) 就是重心，与假设不符，因而 (u) 只有一个重儿子。

同理可以说明， (u) 的重儿子的大小 (>lfloorfrac n 2 floor) 。也即是说，对于 (u) 的非重儿子 (v) ，一定有 (siz_v<lfloorfrac n 2 floorRightarrow n - siz_v>lfloorfrac n 2 floor) 。所以重心一定在 (u) 的重儿子里面。

看看我们得到了什么？

如果 (u) 满足 (n - siz_ule lfloor frac n 2 floor) ，那么：

1 . (u) 只有一个重儿子。

2 . 要么 (u) 是重心，要么重心在 (u) 的重子树里。

3 . 如果 (u) 是满足性质的最深的点，那么 (u) 就是重心，且 (u) 的父亲可能是重心。

第三条可以结合第二条推出。

也就是说：第一、二条告诉了我们重心的明确方向，第三条告诉了我们重心的判断标准，并且它还存在单调性。

那我们可以干什么了？

倍！增！呀！

以上三条直接教会我们，只要我们能处理出 (u) 的朝向重儿子的倍增数组，我们就可以快速地从树根开始求重心。

这样我们就可以在知道倍增数组后 (O(log_2n)) 地求出重心。那么我们只需要枚举每一条边，维护倍增数组并计算重心即可。由于边原本可能是无序的，因而我们需要进行 DFS ，并中途维护信息（本质上还是在 “ 换根 ” ），然后就可以倍增出重心了。

时间复杂度是 (O(nlog_2n)) 。

代码

完全二叉树部分分

int p[MAXN], pos[MAXN];
int head[MAXN], deg[MAXN];

void DFS( const int u, const int fa )
{
	for( int i = head[u], v ; i ; i = Graph[i].nxt )
		if( ( v = Graph[i].to ) ^ fa )
		{
			if( p[pos[u] << 1] )
				p[pos[v] = pos[u] << 1 | 1] = v;
			else 
				p[pos[v] = pos[u] << 1] = v;
			DFS( v, u );
		}
}

int main()
{
    //...
    for( int i = 1 ; i <= N ; i ++ )
        if( deg[i] == 2 )
        {
            p[pos[i] = 1] = i;
            DFS( i, 0 );
            break;
        }
    LL ans = 1ll * N * ( N + 1 ) / 2 - p[1];
    ans += 1ll * N / 2 * ( p[2] + p[3] );
    ans += 1ll * ( N / 2 + 1 ) * p[1];
    //...
}

100pts

typedef long long LL;

const int MAXN = 3e5 + 5, MAXLOG = 20;

template<typename _T>
_T MAX( const _T a, const _T b )
{
	return a > b ? a : b;
}

int jump[MAXN][MAXLOG];
int hs[MAXN], phs[MAXN], fath[MAXN], siz[MAXN];
LL ans;

void addEdge( const int from, const int to )
{
	Graph[++ cnt].to = to, Graph[cnt].nxt = head[from];
	head[from] = cnt;
}

void init( const int u )
{
	for( int i = 1 ; i <= lg2 ; i ++ )
		jump[u][i] = jump[jump[u][i - 1]][i - 1];
}

void DFS( const int u, const int fa )
{
	fath[u] = fa;
	siz[u] = 1, hs[u] = phs[u] = 0;
	for( int i = head[u], v ; i ; i = Graph[i].nxt )
		if( ( v = Graph[i].to ) ^ fa )
		{
			DFS( v, u ), siz[u] += siz[v];
			if( siz[hs[u]] < siz[v] ) phs[u] = hs[u], hs[u] = v;
			else if( siz[phs[u]] < siz[v] ) phs[u] = v;
		}
	jump[u][0] = hs[u];
	init( u );
}

bool chk( const int u, const int all )
{
	return MAX( siz[hs[u]], all - siz[u] ) <= all >> 1;
}

void calc( const int u, const int fa )
{
	int ths = hs[u], tsiz = siz[u], p; 
	for( int i = head[u], v ; i ; i = Graph[i].nxt )
		if( ( v = Graph[i].to ) ^ fa )
		{
			if( hs[u] == v ) hs[u] = phs[u];
			if( siz[fa] > siz[hs[u]] ) hs[u] = fa;
			siz[u] = N - siz[v];
			jump[u][0] = hs[u];
			init( u );
			
			p = u;
			for( int i = lg2 ; ~ i ; i -- )
				if( jump[p][i] && siz[u] - siz[jump[p][i]] <= siz[u] >> 1 )
					p = jump[p][i];
			ans += chk( p, siz[u] ) * p + chk( fath[p], siz[u] ) * fath[p];
			
			p = v;
			for( int i = lg2 ; ~ i ; i -- )
				if( jump[p][i] && siz[v] - siz[jump[p][i]] <= siz[v] >> 1 )
					p = jump[p][i];
			ans += chk( p, siz[v] ) * p + chk( fath[p], siz[v] ) * fath[p];
			
			fath[u] = v;
			calc( v, u );
			
			jump[u][0] = hs[u] = ths, siz[u] = tsiz, fath[u] = fa;
			init( u );
		}
}

void init()
{
	cnt = ans = 0;
	for( int i = 1 ; i <= N ; i ++ )
		head[i] = 0;
}

int main()
{
    //...
	lg2 = log2( N ), init();
	for( int i = 1, a, b ; i < N ; i ++ )
    	read( a ), read( b ), addEdge( a, b ), addEdge( b, a );
	DFS( 1, 0 );
	calc( 1, 0 );
    //...
}