Chapter 18 first version
This commit is contained in:
parent
b305c94103
commit
a24f5ff4ba
398
luku18.tex
398
luku18.tex
|
@ -1,31 +1,26 @@
|
||||||
\chapter{Tree queries}
|
\chapter{Tree queries}
|
||||||
|
|
||||||
\index{puukysely@puukysely}
|
\index{tree query}
|
||||||
|
|
||||||
Tässä luvussa tutustumme algoritmeihin,
|
This chapter discusses techniques for
|
||||||
joiden avulla voi toteuttaa tehokkaasti kyselyitä
|
efficiently performing queries for a rooted tree.
|
||||||
juurelliseen puuhun.
|
The queries are related to subtrees and paths
|
||||||
Kyselyt liittyvät puussa oleviin polkuihin
|
in the tree.
|
||||||
ja alipuihin.
|
For example, possible queries are:
|
||||||
Esimerkkejä kyselyistä ovat:
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
||||||
\item mikä solmu on $k$ askelta ylempänä solmua $x$?
|
\item what is the $k$th ancestor of node $x$?
|
||||||
\item mikä on solmun $x$ alipuun arvojen summa?
|
\item what is the sum of values in the subtree of node $x$?
|
||||||
\item mikä on solmujen $a$ ja $b$ välisen polun arvojen summa?
|
\item what is the sum of values in a path between nodes $a$ and $b$?
|
||||||
\item mikä on solmujen $a$ ja $b$ alin yhteinen esivanhempi?
|
\item what is the lowest common ancestor of nodes $a$ and $b$?
|
||||||
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
||||||
|
|
||||||
\section{Tehokas nouseminen}
|
\section{Finding ancestors}
|
||||||
|
|
||||||
Tehokas nouseminen puussa tarkoittaa,
|
The $k$th ancestor of node $x$ in the tree is found
|
||||||
että voimme selvittää nopeasti,
|
when we ascend $k$ steps in the tree beginning at node $x$.
|
||||||
mihin solmuun päätyy kulkemalla
|
Let $f(x,k)$ denote the $k$th ancestor of node $x$.
|
||||||
$k$ askelta ylöspäin solmusta $x$ alkaen.
|
For example, in the following tree, $f(2,1)=1$ and $f(8,2)=4$.
|
||||||
Merkitään $f(x,k)$ solmua,
|
|
||||||
joka on $k$ askelta ylempänä solmua $x$.
|
|
||||||
Esimerkiksi seuraavassa puussa
|
|
||||||
$f(2,1)=1$ ja $f(8,2)=4$.
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
|
@ -50,19 +45,20 @@ $f(2,1)=1$ ja $f(8,2)=4$.
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Suoraviivainen tapa laskea funktion $f(x,k)$
|
A straighforward way to calculate $f(x,k)$
|
||||||
arvo on kulkea puussa $k$ askelta ylöspäin
|
is to move $k$ steps upwards in the tree
|
||||||
solmusta $x$ alkaen.
|
beginning from node $x$.
|
||||||
Tämän aikavaativuus on kuitenkin $O(n)$,
|
However, the time complexity of this method
|
||||||
koska on mahdollista, että puussa on
|
is $O(n)$ because it is possible that the tree
|
||||||
ketju, jossa on $O(n)$ solmua.
|
contains a chain of $O(n)$ nodes.
|
||||||
|
|
||||||
Kuten luvussa 16.3, funktion $f(x,k)$
|
As in Chapter 16.3, any value of $f(x,k)$
|
||||||
arvo on mahdollista laskea tehokkaasti ajassa
|
can be efficiently calculated in $O(\log k)$
|
||||||
$O(\log k)$ sopivan esikäsittelyn avulla.
|
after preprocessing.
|
||||||
Ideana on laskea etukäteen kaikki arvot
|
The idea is to precalculate all values $f(x,k)$
|
||||||
$f(x,k)$, joissa $k=1,2,4,8,\ldots$ eli 2:n potenssi.
|
where $k$ is a power of two.
|
||||||
Esimerkiksi yllä olevassa puussa muodostuu seuraava taulukko:
|
For example, the values for the tree above
|
||||||
|
are as follows:
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tabular}{r|rrrrrrrrr}
|
\begin{tabular}{r|rrrrrrrrr}
|
||||||
|
@ -75,23 +71,23 @@ $\cdots$ \\
|
||||||
\end{tabular}
|
\end{tabular}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Taulukossa arvo 0 tarkoittaa, että nousemalla $k$
|
The value $0$ means that the $k$th ancestor
|
||||||
askelta päätyy puun ulkopuolelle juurisolmun yläpuolelle.
|
of a node doesn't exist.
|
||||||
|
|
||||||
Esilaskenta vie aikaa $O(n \log n)$, koska jokaisesta
|
The preprocessing takes $O(n \log n)$ time
|
||||||
solmusta voi nousta korkeintaan $n$ askelta ylöspäin.
|
because each node can have at most $n$ ancestors.
|
||||||
Tämän jälkeen minkä tahansa funktion $f(x,k)$ arvon saa
|
After this, any value $f(x,k)$ can be calculated
|
||||||
laskettua ajassa $O(\log k)$ jakamalla nousun 2:n
|
in $O(\log k)$ time by representing the value $k$
|
||||||
potenssin osiin.
|
as a sum where each term is a power of two.
|
||||||
|
|
||||||
\section{Solmutaulukko}
|
\section{Subtrees and paths}
|
||||||
|
|
||||||
\index{solmutaulukko@solmutaulukko}
|
\index{node array}
|
||||||
|
|
||||||
\key{Solmutaulukko} sisältää juurellisen puun solmut siinä
|
A \key{node array} contains the nodes of a rooted tree
|
||||||
järjestyksessä kuin juuresta alkava syvyyshaku
|
in the order in which a depth-first search
|
||||||
vierailee solmuissa.
|
from the root node visits them.
|
||||||
Esimerkiksi puussa
|
For example, in the tree
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
\node[draw, circle] (1) at (0,3) {$1$};
|
\node[draw, circle] (1) at (0,3) {$1$};
|
||||||
|
@ -114,7 +110,7 @@ Esimerkiksi puussa
|
||||||
\path[draw,thick,-] (4) -- (9);
|
\path[draw,thick,-] (4) -- (9);
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
syvyyshaku etenee
|
a depth-first search proceeds as follows:
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
\node[draw, circle] (1) at (0,3) {$1$};
|
\node[draw, circle] (1) at (0,3) {$1$};
|
||||||
|
@ -156,7 +152,7 @@ syvyyshaku etenee
|
||||||
|
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
ja solmutaulukoksi tulee:
|
Hence, the corresponding node array is as follows:
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
||||||
\draw (0,0) grid (9,1);
|
\draw (0,0) grid (9,1);
|
||||||
|
@ -184,13 +180,13 @@ ja solmutaulukoksi tulee:
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Alipuiden käsittely}
|
\subsubsection{Subtree queries}
|
||||||
|
|
||||||
Solmutaulukossa jokaisen alipuun kaikki solmut ovat peräkkäin
|
Each subtree of a tree corresponds to a subarray
|
||||||
niin, että ensin on alipuun juurisolmu ja sitten
|
in the node array,
|
||||||
kaikki muut alipuun solmut.
|
where the first element is the root node.
|
||||||
Esimerkiksi äskeisessä taulukossa solmun $4$
|
For example, the following subarray contains the
|
||||||
alipuuta vastaa seuraava taulukon osa:
|
nodes in the subtree of node $4$:
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
||||||
\fill[color=lightgray] (4,0) rectangle (8,1);
|
\fill[color=lightgray] (4,0) rectangle (8,1);
|
||||||
|
@ -218,19 +214,20 @@ alipuuta vastaa seuraava taulukon osa:
|
||||||
\node at (8.5,1.4) {$9$};
|
\node at (8.5,1.4) {$9$};
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
Tämän ansiosta solmutaulukon avulla voi käsitellä tehokkaasti
|
Using this fact, we can efficiently process queries
|
||||||
puun alipuihin liittyviä kyselyitä.
|
that are related to subtrees of the tree.
|
||||||
Ratkaistaan esimerkkinä tehtävä,
|
As an example, consider a problem where each node
|
||||||
jossa kuhunkin puun solmuun liittyy
|
is assigned a value, and our task is to support
|
||||||
arvo ja toteutettavana on seuraavat kyselyt:
|
the following queries:
|
||||||
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
||||||
\item muuta solmun $x$ arvoa
|
\item change the value of node $x$
|
||||||
\item laske arvojen summa solmun $x$ alipuussa
|
\item calculate the sum of values in the subtree of node $x$
|
||||||
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
||||||
|
|
||||||
Tarkastellaan seuraavaa puuta,
|
Let us consider the following tree where blue numbers
|
||||||
jossa siniset luvut ovat solmujen arvoja.
|
are values of nodes.
|
||||||
Esimerkiksi solmun $4$ alipuun arvojen summa on $3+4+3+1=11$.
|
For example, the sum of values in the subtree of node $4$
|
||||||
|
is $3+4+3+1=11$.
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
|
@ -265,9 +262,10 @@ Esimerkiksi solmun $4$ alipuun arvojen summa on $3+4+3+1=11$.
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Ideana on luoda solmutaulukko, joka sisältää jokaisesta solmusta
|
The idea is to construct a node array that contains
|
||||||
kolme tietoa: (1) solmun tunnus, (2) alipuun koko ja (3) solmun arvo.
|
three values for each node: (1) identifier of the node,
|
||||||
Esimerkiksi yllä olevasta puusta syntyy seuraava taulukko:
|
(2) size of the subtree, and (3) value of the node.
|
||||||
|
For example, the array for the above tree is as follows:
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
||||||
|
@ -316,9 +314,11 @@ Esimerkiksi yllä olevasta puusta syntyy seuraava taulukko:
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Tästä taulukosta alipuun solmujen arvojen summa selviää
|
Using this array, we can calculate the sum of nodes
|
||||||
lukemalla ensin alipuun koko ja sitten sitä vastaavat solmut.
|
in a subtree by first reading the size of the subtree
|
||||||
Esimerkiksi solmun $4$ alipuun arvojen summa selviää näin:
|
and then the values of the corresponding nodes.
|
||||||
|
For example, the values in the subtree of node $4$
|
||||||
|
can be found as follows:
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
||||||
|
@ -370,25 +370,26 @@ Esimerkiksi solmun $4$ alipuun arvojen summa selviää näin:
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Viimeinen tarvittava askel on tallentaa solmujen arvot
|
The remaining step is to store the values of the
|
||||||
binääri-indeksi\-puuhun tai segmenttipuuhun.
|
nodes in a binary indexed tree or segment tree.
|
||||||
Tällöin sekä alipuun arvojen summan laskeminen
|
After this, we can both calculate the sum
|
||||||
että solmun arvon muuttaminen onnistuvat ajassa $O(\log n)$,
|
of values and change a value in $O(\log n)$ time,
|
||||||
eli pystymme vastaamaan kyselyihin tehokkaasti.
|
so we can efficiently process the queries.
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Polkujen käsittely}
|
\subsubsection{Path queries}
|
||||||
|
|
||||||
Solmutaulukon avulla voi myös käsitellä tehokkaasti
|
Using a node array, we can also efficiently
|
||||||
polkuja, jotka kulkevat juuresta tiettyyn solmuun puussa.
|
process paths between the root node and any other
|
||||||
Ratkaistaan seuraavaksi tehtävä,
|
node in the tree.
|
||||||
jossa toteutettavana on seuraavat kyselyt:
|
Let us next consider a problem where our task
|
||||||
|
is to support the following queries:
|
||||||
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
||||||
\item muuta solmun $x$ arvoa
|
\item change the value of node $x$
|
||||||
\item laske arvojen summa juuresta solmuun $x$
|
\item calculate the sum of values from the root to node $x$
|
||||||
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
||||||
|
|
||||||
Esimerkiksi seuraavassa puussa polulla solmusta 1
|
For example, in the following tree, the sum of
|
||||||
solmuun 8 arvojen summa on $4+5+3=12$.
|
values from the root to node 8 is $4+5+3=12$.
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
|
@ -423,15 +424,18 @@ solmuun 8 arvojen summa on $4+5+3=12$.
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Ideana on muodostaa samanlainen taulukko kuin
|
To solve this problem, we can use a similar
|
||||||
alipuiden käsittelyssä mutta tallentaa
|
technique as we used for subtree queries,
|
||||||
solmujen arvot erikoisella tavalla:
|
but the values of the nodes are stored
|
||||||
kun taulukon kohdassa $k$ olevan solmun arvo on $a$,
|
in a special way:
|
||||||
kohdan $k$ arvoon lisätään $a$ ja kohdan $k+c$ arvosta
|
if the value of a node at index $k$
|
||||||
vähennetään $a$, missä $c$ on alipuun koko.
|
increases by $a$,
|
||||||
|
the value at index $k$ increases by $a$
|
||||||
|
and the value at index $k+c$ decreases by $a$,
|
||||||
|
where $c$ is the size of the subtree.
|
||||||
|
|
||||||
\begin{samepage}
|
\begin{samepage}
|
||||||
Esimerkiksi yllä olevaa puuta vastaa seuraava taulukko:
|
For example, the following array corresponds to the above tree:
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
||||||
\draw (0,1) grid (10,-2);
|
\draw (0,1) grid (10,-2);
|
||||||
|
@ -484,17 +488,19 @@ Esimerkiksi yllä olevaa puuta vastaa seuraava taulukko:
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
\end{samepage}
|
\end{samepage}
|
||||||
|
|
||||||
Esimerkiksi solmun $3$ arvona on $-5$, koska
|
For example, the value of node $3$ is $-5$,
|
||||||
se on solmujen $2$ ja $6$ alipuiden jälkeinen solmu,
|
because it is the next node after the subtrees
|
||||||
mistä tulee arvoa $-5-3$, ja sen oma arvo on $3$.
|
of nodes $2$ and $6$ and its own value is $3$.
|
||||||
Yhteensä solmun 3 arvo on siis $-5-3+3=-5$.
|
So the value decreases by $5+3$ and increases by $3$.
|
||||||
Huomaa, että taulukossa on ylimääräinen kohta 10,
|
Note that the array contains an extra index 10
|
||||||
johon on tallennettu vain juuren arvon vastaluku.
|
that only has the opposite number of the value
|
||||||
|
of the root node.
|
||||||
|
|
||||||
Nyt solmujen arvojen summa polulla juuresta alkaen
|
Using this array, the sum of values in a path
|
||||||
selviää laskemalla kaikkien taulukon arvojen summa
|
from the root to node $x$ equals the sum
|
||||||
taulukon alusta solmuun asti.
|
of values in the array from the beginning to node $x$.
|
||||||
Esimerkiksi summa solmusta $1$ solmuun $8$ selviää näin:
|
For example, the sum from the root to node $8$
|
||||||
|
can be calculated as follows:
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
||||||
|
@ -548,31 +554,31 @@ Esimerkiksi summa solmusta $1$ solmuun $8$ selviää näin:
|
||||||
\node at (9.5,1.4) {$10$};
|
\node at (9.5,1.4) {$10$};
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
The sum is
|
||||||
Summaksi tulee
|
|
||||||
\[4+5+3-5+2+5-2=12,\]
|
\[4+5+3-5+2+5-2=12,\]
|
||||||
mikä vastaa polun summaa $4+5+3=12$.
|
that equals the sum $4+5+3=12$.
|
||||||
Tämä laskentatapa toimii, koska jokaisen solmun arvo
|
This method works because the value of each node
|
||||||
lisätään summaan, kun se tulee vastaan syvyyshaussa,
|
is added to the sum when the depth-first search
|
||||||
ja vähennetään summasta, kun sen käsittely päättyy.
|
visits it for the first time, and correspondingly,
|
||||||
|
the value is removed from the sum when the subtree of the
|
||||||
|
node has been processed.
|
||||||
|
|
||||||
Alipuiden käsittelyä vastaavasti voimme tallentaa
|
Once again, we can store the values of the nodes
|
||||||
arvot binääri-indeksi\-puuhun tai segmenttipuuhun ja
|
in a binary indexed tree or a segment tree,
|
||||||
sekä polun summan laskeminen että arvon muuttaminen
|
so it is possible to both calculate the sum of values and
|
||||||
onnistuvat ajassa $O(\log n)$.
|
change a value efficiently in $O(\log n)$ time.
|
||||||
|
|
||||||
\section{Alin yhteinen esivanhempi}
|
\section{Lowest common ancestor}
|
||||||
|
|
||||||
\index{alin yhteinen esivanhempi@alin yhteinen esivanhempi}
|
\index{lowest common ancestor}
|
||||||
|
|
||||||
Kahden puun solmun
|
The \key{lowest common ancestor}
|
||||||
\key{alin yhteinen esivanhempi}
|
of two nodes is a the lowest node in the tree
|
||||||
on mahdollisimman matalalla puussa oleva solmu,
|
whose subtree contains both the nodes.
|
||||||
jonka alipuuhun kumpikin solmu kuuluu.
|
A typical problem is to efficiently process
|
||||||
Tyypillinen tehtävä on vastata tehokkaasti
|
queries where the task is to find the lowest
|
||||||
joukkoon kyselyitä, jossa selvitettävänä on
|
common ancestor of two nodes.
|
||||||
kahden solmun alin yhteinen esivanhempi.
|
For example, in the tree
|
||||||
Esimerkiksi puussa
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
\node[draw, circle] (1) at (0,3) {$1$};
|
\node[draw, circle] (1) at (0,3) {$1$};
|
||||||
|
@ -592,25 +598,24 @@ Esimerkiksi puussa
|
||||||
\path[draw,thick,-] (7) -- (8);
|
\path[draw,thick,-] (7) -- (8);
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
solmujen 5 ja 8 alin yhteinen esivanhempi on solmu 2
|
the lowest common ancestor of nodes 5 and 8 is node 2,
|
||||||
ja solmujen 3 ja 4 alin yhteinen esivanhempi on solmu 1.
|
and the lowest common ancestor of nodes 3 and 4 is node 1.
|
||||||
|
|
||||||
Tutustumme seuraavaksi kahteen tehokkaaseen menetelmään
|
Next we will discuss two efficient techniques for
|
||||||
alimman yhteisen esivanhemman selvittämiseen.
|
finding the lowest common ancestor of two nodes.
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Menetelmä 1}
|
\subsubsection{Method 1}
|
||||||
|
|
||||||
Yksi tapa ratkaista tehtävä on hyödyntää
|
One way to solve the problem is use the fact
|
||||||
tehokasta nousemista puussa.
|
that we can efficiently find the $k$th
|
||||||
Tällöin alimman yhteisen esivanhemman etsiminen
|
ancestor of any node in the tree.
|
||||||
muodostuu kahdesta vaiheesta.
|
Using this idea, we can first ensure that
|
||||||
Ensin noustaan alemmasta solmusta samalle tasolle
|
both nodes are at the same level in the tree,
|
||||||
ylemmän solmun kanssa,
|
and then find the smallest value of $k$
|
||||||
sitten noustaan rinnakkain kohti
|
where the $k$th ancestor of both nodes is the same.
|
||||||
alinta yhteistä esivanhempaa.
|
|
||||||
|
|
||||||
Tarkastellaan esimerkkinä solmujen 5 ja 8
|
As an example, let's find the lowest common
|
||||||
alimman yhteisen esivanhemman etsimistä:
|
ancestor of nodes $5$ and $8$ in the following tree:
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
|
@ -632,10 +637,10 @@ alimman yhteisen esivanhemman etsimistä:
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Solmu 5 on tasolla 3, kun taas solmu 8 on tasolla 4.
|
Node $5$ is at level $3$, while node $8$ is at level $4$.
|
||||||
Niinpä nousemme ensin solmusta 8 yhden tason ylemmäs solmuun 6.
|
Thus, we first move one step upwards from node $8$ to node $6$.
|
||||||
Tämän jälkeen nousemme rinnakkain solmuista 5 ja 6
|
After this, it turns out that the parent of both node $5$
|
||||||
lähtien yhden tason, jolloin päädymme solmuun 2:
|
and node $6$ is node $2$, so we have found the lowest common ancestor.
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
|
@ -661,16 +666,17 @@ lähtien yhden tason, jolloin päädymme solmuun 2:
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Menetelmä vaatii $O(n \log n)$-aikaisen esikäsittelyn,
|
Using this method, we can find the lowest common ancestor
|
||||||
jonka jälkeen minkä tahansa kahden solmun alin yhteinen
|
of any two nodes in $O(\log n)$ time after an $O(n \log n)$ time
|
||||||
esivanhempi selviää ajassa $O(\log n)$,
|
preprocessing, because both steps can be
|
||||||
koska kumpikin vaihe nousussa vie aikaa $O(\log n)$.
|
done in $O(\log n)$ time.
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Menetelmä 2}
|
\subsubsection{Method 2}
|
||||||
|
|
||||||
Toinen tapa ratkaista tehtävä perustuu solmutaulukon
|
Another way to solve the problem is based on
|
||||||
käyttämiseen.
|
a node array.
|
||||||
Ideana on jälleen järjestää solmut syvyyshaun mukaan:
|
Again, the idea is to traverse the nodes
|
||||||
|
using a depth-first search:
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
|
@ -707,16 +713,17 @@ Ideana on jälleen järjestää solmut syvyyshaun mukaan:
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Erona aiempaan solmu lisätään kuitenkin solmutaulukkoon
|
However, we add each node to the node array \emph{always}
|
||||||
mukaan \textit{aina}, kun syvyyshaku käy solmussa,
|
when the depth-first search visits the node,
|
||||||
eikä vain ensimmäisellä kerralla.
|
and not only at the first visit.
|
||||||
Niinpä solmu esiintyy solmutaulukossa $k+1$ kertaa,
|
Thus, a node that has $k$ children appears $k+1$ times
|
||||||
missä $k$ on solmun lasten määrä,
|
in the node array, and there are a total of $2n-1$
|
||||||
ja solmutaulukossa on yhteensä $2n-1$ solmua.
|
nodes in the array.
|
||||||
|
|
||||||
Tallennamme solmutaulukkoon kaksi tietoa:
|
We store two values in the array:
|
||||||
(1) solmun tunnus ja (2) solmun taso puussa.
|
(1) identifier of the node, and (2) the level of the
|
||||||
Esimerkkipuuta vastaavat taulukot ovat:
|
node in the tree.
|
||||||
|
The following array corresponds to the above tree:
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
||||||
|
@ -777,11 +784,11 @@ Esimerkkipuuta vastaavat taulukot ovat:
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Tämän taulukon avulla solmujen $a$ ja $b$ alin yhteinen esivanhempi
|
Using this array, we can find the lowest common ancestor
|
||||||
selviää etsimällä taulukosta alimman tason solmu
|
of nodes $a$ and $b$ by locating the node with lowest level
|
||||||
solmujen $a$ ja $b$ välissä.
|
between nodes $a$ and $b$ in the array.
|
||||||
Esimerkiksi solmujen 5 ja 8 alin yhteinen esivanhempi
|
For example, the lowest common ancestor of nodes $5$ and $8$
|
||||||
löytyy seuraavasti:
|
can be found as follows:
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.7]
|
||||||
|
@ -845,36 +852,36 @@ löytyy seuraavasti:
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
|
|
||||||
Solmu 5 on taulukossa kohdassa 3,
|
Node 5 is at index 3, node 8 is at index 6,
|
||||||
solmu 8 on taulukossa kohdassa 6
|
and the node with lowest level between
|
||||||
ja alimman tason solmu välillä $3 \ldots 6$
|
indices $3 \ldots 6$ is node 2 at index 4
|
||||||
on kohdassa 4 oleva solmu 2,
|
whose level is 2.
|
||||||
jonka taso on 2.
|
Thus, the lowest common ancestor of
|
||||||
Niinpä solmujen 5 ja 8 alin yhteinen esivanhempi
|
nodes 5 and 8 is node 2.
|
||||||
on solmu 2.
|
|
||||||
|
|
||||||
Alimman tason solmu välillä selviää
|
Using a segment tree, we can find the lowest
|
||||||
ajassa $O(\log n)$, kun taulukon sisältö on
|
common ancestor in $O(\log n)$ time.
|
||||||
tallennettu segmenttipuuhun.
|
Since the array is static, the time complexity
|
||||||
Myös aikavaativuus $O(1)$ on mahdollinen,
|
$O(1)$ is also possible, but this is rarely needed.
|
||||||
koska taulukko on staattinen, mutta tälle on harvoin tarvetta.
|
In both cases, preprocessing takes $O(n \log n)$ time.
|
||||||
Kummassakin tapauksessa esikäsittely vie aikaa $O(n \log n)$.
|
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Solmujen etäisyydet}
|
\subsubsection{Distances of nodes}
|
||||||
|
|
||||||
Tarkastellaan lopuksi tehtävää,
|
Finally, let's consider a problem where
|
||||||
jossa kyselyissä tulee laskea tehokkaasti
|
each query asks to find the distance between
|
||||||
kahden solmun etäisyys eli solmujen välisen polun pituus puussa.
|
two nodes in the tree, i.e., the length of the
|
||||||
Osoittautuu, että tämä tehtävä
|
path between them.
|
||||||
palautuu alimman yhteisen esivanhemman etsimiseen.
|
It turns out that this problem reduces to
|
||||||
|
finding the lowest common ancestor.
|
||||||
|
|
||||||
Valitaan ensin mikä tahansa
|
First, we choose an arbitrary node for the
|
||||||
solmu puun juureksi.
|
root of the tree.
|
||||||
Tämän jälkeen solmujen $a$ ja $b$
|
After this, the distance between nodes $a$ and $b$
|
||||||
etäisyys on $d(a)+d(b)-2 \cdot d(c)$,
|
is $d(a)+d(b)-2 \cdot d(c)$,
|
||||||
missä $c$ on solmujen alin yhteinen esivanhempi
|
where $c$ is the lowest common ancestor,
|
||||||
ja $d(s)$ on etäisyys puun juuresta solmuun $s$.
|
and $d(s)$ is the distance from the root node
|
||||||
Esimerkiksi puussa
|
to node $s$.
|
||||||
|
For example, in the tree
|
||||||
|
|
||||||
\begin{center}
|
\begin{center}
|
||||||
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
\begin{tikzpicture}[scale=0.9]
|
||||||
|
@ -899,14 +906,13 @@ Esimerkiksi puussa
|
||||||
\path[draw=red,thick,-,line width=2pt] (6) -- node[font=\small] {} (3);
|
\path[draw=red,thick,-,line width=2pt] (6) -- node[font=\small] {} (3);
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
\end{tikzpicture}
|
||||||
\end{center}
|
\end{center}
|
||||||
solmujen 5 ja 8 alin yhteinen esivanhempi on 2.
|
the lowest common ancestor of nodes 5 and 8 is node 2.
|
||||||
Polku solmusta 5 solmuun 8
|
A path from node 5 to node 8
|
||||||
kulkee ensin ylöspäin solmusta 5
|
goes first upwards from node 5 to node 2,
|
||||||
solmuun 2 ja sitten alaspäin
|
and then downwards from node 2 to node 8.
|
||||||
solmusta 2 solmuun 8.
|
The distances of the nodes from the root are
|
||||||
Solmujen etäisyydet juuresta ovat $d(5)=3$,
|
$d(5)=3$, $d(8)=4$ and $d(2)=2$,
|
||||||
$d(8)=4$ ja $d(2)=2$,
|
so the distance between nodes 5 and 8 is
|
||||||
joten solmujen 5 ja 8 etäisyys
|
$3+4-2\cdot2=3$.
|
||||||
on $3+4-2\cdot2=3$.
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
Loading…
Reference in New Issue