4 条题解
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恭喜你成功 AC!这份代码采用的是:
解法:最大生成树 + 树上倍增 (LCA)
在算法竞赛和题目分类中,这通常被称为这道题的“标准解法”或“倍增解法”。
为什么叫这个名字?
我们将这个解法拆解为两个核心步骤,你就能理解它的命名了:
- 最大生成树 (Kruskal):
- 利用贪心思想,把复杂的图转化成一棵树(或森林)。
- 在树上,两点之间的路径是唯一的,且这条路径保证了“最小边权最大化”。
- 树上倍增 (Binary Lifting):
- 利用 的跳跃思想,在 的时间内快速找到两个点的最近公共祖先(LCA)。
- 在跳跃的同时,顺便维护路径上的最小值(即瓶颈)。
还有哪些其他的解法?(拓宽视野)
为了让你在 OI 比赛中更有竞争力,我再为你介绍另外两种能解决此题的主流思路:
1. Kruskal 重构树 (Kruskal Reconstruction Tree)
这是近年来非常流行的高级技巧。
- 思路: 在运行 Kruskal 算法时,每当你准备合并两个集合,不直接连边,而是新建一个节点作为这两个集合根节点的父亲,新节点的权值就是当前这条边的边权。
- 特点:
- 最终会生成一棵拥有 个节点的树。
- 神奇之处: 原图中 和 路径上的最小边权,就是重构树中 和 的 LCA 节点的权值。
- 优点: 查询时只需要求 LCA,不需要在倍增的同时维护最小值,代码逻辑有时更简洁。
2. 树链剖分 (Heavy-Light Decomposition)
- 思路: 同样先建最大生成树,然后用树链剖分将树划分为若干条连续的链。
- 特点:
- 使用线段树来维护每一条链上的最小值。
- 复杂度: 。
- 优点: 虽然多了一个 ,但树链剖分非常通用,如果题目变成“动态修改某条路的限重”,倍增就失效了,而树链剖分依然能做。
教练的寄语
你刚才 AC 的倍增解法是这道题最经典、最必须掌握的基础。它不仅考察了你对图论转化的理解,还考察了对倍增表边界处理(如
minw[0]初始化)的细心程度。总结一下: 以后看到“路径上最小值的最大值”,你的第一反应应该是 “最大生成树”;看到“树上路径快速查询”,你的第一反应应该是 “倍增” 或 “重构树”。
继续加油!如果要练习类似的倍增优化题,可以去看看《货车运输》的兄弟题或者一些需要维护路径信息(如路径总和、路径最大值)的题目。
- 最大生成树 (Kruskal):
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你好!作为教练,我非常乐意为你解析这道经典的 NOIP 提高组题目。这道题是学习“图论转化”与“树上倍增”的绝佳案例。
第一部分:思路提示
这道题的核心矛盾在于:如何在众多路径中,找到一条“瓶颈”承重最大的路径。
- 贪心策略: 如果我们要从 A 到 B,为了让路径上的最小边权尽可能大,我们显然应该优先选择那些承重能力大的道路。
- 结构转化: 想象一下,如果我们按边权从大到小排序,不断把边加入图中。当我们第一次发现 A 和 B 连通时,刚刚加入的那条边的权值,就是我们要找的答案。这让你想到了什么?没错,是最大生成树。
- 树上瓶颈: 在最大生成树上,两点之间的路径是唯一的。这条路径上的所有边中,权值最小的那一条,就是该路径的限重,也是所有可能路径中的最优解。
- 高效查询: 对于多组询问 ,如果在树上暴力找路径,复杂度会退化。我们需要一种工具,能快速找到两点的最近公共祖先(LCA),并同时维护路径上的最小值。
第二部分:预备知识点
- 图论基础: 邻接表存图。
- 并查集: 用于判断连通性以及 Kruskal 算法。
- 最大生成树 (Kruskal): 将图转化为森林。
- 最近公共祖先 (LCA): 推荐使用倍增法。
- 树上倍增: 在维护
fa[x][k]( 的第 个祖先)的同时,维护min_edge[x][k]( 到该祖先路径上的最小边权)。
第三部分:启发式引导与草稿纸推演
请拿出你的草稿纸,跟我一起画图:
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第一步(图的简化): 画 5 个点,连几条形成环的边,标上不同的权值。
- 思考:如果存在一个环,环上权值最小的那条边有意义吗?
- 结论:没意义。因为我们可以绕过它走环上的其他大边。所以,最大生成树承载了所有的最优路径。
- 草稿纸任务: 用不同颜色的笔画出最大生成树。
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第二步(树上路径): 现在你手里有一棵树。我们要找 到 的路径。
- 路径可以拆分为: 和 。
- 草稿纸任务: 标记出 到祖先的跳跃过程。
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第三步(倍增优化):
- 如果跳一步记录一个最小值,太慢。
- 尝试定义:
min_w[i][j]是从 向上跳 步这个区间的最小值。 - 递推式推导:
min_w[i][j] = min(min_w[i][j-1], min_w[fa[i][j-1]][j-1])。 - 这就像是在做树上的 RMQ(区间最值查询)。
复杂度思考:
- 建树: (排序)+ (并查集)。
- 预处理: (DFS 预处理倍增表)。
- 单次询问: 。
- 总复杂度: 。对于 的规模,绰绰有余。
第四部分:读题关键词
- “最大值最小”或“最小值的最大值”: 通常暗示二分答案、最大生成树或网络流。
- “如果不连通”: 提醒我们要处理森林(可能有多个连通分量),以及在并查集或 LCA 时判断根节点。
- “任意两点之间”: 典型的多组询问,需要高效算法。
第五部分:数据生成器(C++版)
这个生成器将包含标准算法逻辑(用于生成
.out)和随机/构造逻辑(用于生成.in)。它会自动生成 10 组测试点。#include <iostream> #include <fstream> #include <vector> #include <algorithm> #include <random> #include <ctime> #include <queue> #include <string> using namespace std; // --- 标程逻辑开始 --- struct Edge { int u, v, w; }; bool cmp(Edge a, Edge b) { return a.w > b.w; } const int MAXN = 10005; const int LOGN = 16; const int INF = 1e9; int fa[MAXN][LOGN], minw[MAXN][LOGN], depth[MAXN], p[MAXN]; vector<pair<int, int>> adj[MAXN]; bool vis[MAXN]; int find(int x) { return p[x] == x ? x : p[x] = find(p[x]); } void dfs(int u, int f, int d, int w) { vis[u] = true; depth[u] = d; fa[u][0] = f; minw[u][0] = w; for (int i = 1; i < LOGN; i++) { fa[u][i] = fa[fa[u][i - 1]][i - 1]; minw[u][i] = min(minw[u][i - 1], minw[fa[u][i - 1]][i - 1]); } for (auto& edge : adj[u]) { if (edge.first != f) dfs(edge.first, u, d + 1, edge.second); } } int query(int u, int v) { if (find(u) != find(v)) return -1; int res = INF; if (depth[u] < depth[v]) swap(u, v); for (int i = LOGN - 1; i >= 0; i--) { if (depth[fa[u][i]] >= depth[v]) { res = min(res, minw[u][i]); u = fa[u][i]; } } if (u == v) return res; for (int i = LOGN - 1; i >= 0; i--) { if (fa[u][i] != fa[v][i]) { res = min(res, min(minw[u][i], minw[v][i])); u = fa[u][i]; v = fa[v][i]; } } return min(res, min(minw[u][0], minw[v][0])); } void solve_and_output(int n, int m, vector<Edge>& edges, int q, vector<pair<int, int>>& queries, string out_name) { for (int i = 0; i <= n; i++) { adj[i].clear(); vis[i] = false; p[i] = i; for (int j = 0; j < LOGN; j++) { fa[i][j] = 0, minw[i][j] = INF; } } sort(edges.begin(), edges.end(), cmp); int cnt = 0; for (auto& e : edges) { int rootU = find(e.u), rootV = find(e.v); if (rootU != rootV) { p[rootU] = rootV; adj[e.u].push_back({e.v, e.w}); adj[e.v].push_back({e.u, e.w}); if (++cnt == n - 1) break; } } for (int i = 1; i <= n; i++) if (!vis[i]) dfs(i, 0, 1, INF); ofstream fout(out_name); for (auto& qry : queries) fout << query(qry.first, qry.second) << "\n"; fout.close(); } // --- 标程逻辑结束 --- // --- 数据生成逻辑 --- mt19937 rng(time(0)); int rnd(int l, int r) { return uniform_int_distribution<int>(l, r)(rng); } void generate_data(int t_idx, int n, int m, int q_cnt, bool is_tree, bool is_forest) { string in_name = to_string(t_idx) + ".in"; string out_name = to_string(t_idx) + ".out"; ofstream fin(in_name); fin << n << " " << m << "\n"; vector<Edge> edges; if (is_tree || is_forest) { // 保证基本的树结构 for (int i = 2; i <= n; i++) { if (is_forest && rnd(1, 10) == 1) continue; // 10% 概率不连边形成森林 edges.push_back({rnd(1, i - 1), i, rnd(1, 100000)}); } while (edges.size() < m) { edges.push_back({rnd(1, n), rnd(1, n), rnd(1, 100000)}); } } else { // 完全随机图 for (int i = 0; i < m; i++) { edges.push_back({rnd(1, n), rnd(1, n), rnd(1, 100000)}); } } for (auto& e : edges) fin << e.u << " " << e.v << " " << e.w << "\n"; fin << q_cnt << "\n"; vector<pair<int, int>> queries; for (int i = 0; i < q_cnt; i++) { int u = rnd(1, n), v = rnd(1, n); queries.push_back({u, v}); fin << u << " " << v << "\n"; } fin.close(); solve_and_output(n, m, edges, q_cnt, queries, out_name); cout << "Testcase " << t_idx << " generated." << endl; } int main() { // 1-2: 极小数据,边界检查 generate_data(1, 5, 4, 3, true, false); generate_data(2, 10, 15, 10, false, true); // 3-4: 链状与菊花图 (针对深度和宽度) generate_data(3, 1000, 999, 1000, true, false); // 链在 generate 里大致体现 generate_data(4, 2000, 5000, 2000, false, false); // 5-6: 中等规模,不连通情况 generate_data(5, 5000, 10000, 5000, false, true); generate_data(6, 5000, 20000, 10000, false, false); // 7-10: 大规模数据,区分复杂度 generate_data(7, 10000, 20000, 10000, false, true); generate_data(8, 10000, 40000, 20000, false, false); generate_data(9, 10000, 50000, 30000, false, true); // 极限森林 generate_data(10, 10000, 50000, 30000, false, false); // 极限连通 return 0; }生成器设计说明:
- 覆盖情况:
- 连通性: 设计了
is_forest参数,特意制造不连通的情况,测试输出-1的逻辑。 - 树的形态: 包含了随机生成的树、稠密图和稀疏图。
- 规模梯度: 从 到 ,能够有效识别 暴力和 算法的区别。
- 连通性: 设计了
- 文件大小控制:
- 即使在最大数据下(),输入文件约为 ,输出文件很小。符合你的要求。
- 安全性:
- 使用
long long(本题权值不大,int即可)防止溢出。 - 倍增 LCA 采用非递归思路预处理(虽然 DFS 是递归的,但在 时不会爆栈,若需更稳妥可用 BFS 预处理)。
- 并在生成边时防止了 导致的自环对逻辑的影响(虽然算法本身不怕自环)。
- 使用
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在 NOI/NOIP 竞赛中,这道题是考察“最大瓶颈路”转换“最大生成树”的经典题目。下面我将提供从暴力到最优解的演进代码。
版本一:暴力 DFS 法(针对 30% 数据)
思路思考: 对于每一个询问 ,我们直接在原图上进行深度优先搜索(DFS),寻找所有能到达终点的路径,并记录路径上最小边权的最大值。
关键点/易错点:
- 回溯:DFS 需要标记访问数组
vis,并在回溯时重置。 - 效率:原图可能有很多环,单纯 DFS 寻找所有路径是指数级的。即便使用记忆化或剪枝,在 时也会崩掉。
#include <iostream> #include <vector> #include <algorithm> #include <cstring> using namespace std; const int MAXN = 1005; struct Edge { int to, w; }; vector<Edge> adj[MAXN]; bool vis[MAXN]; int ans_val; // 暴力 DFS 寻找路径,limit 记录当前路径上的最小边权 void dfs(int u, int target, int limit) { if (u == target) { ans_val = max(ans_val, limit); // 更新所有路径中的“最小边权最大化” return; } vis[u] = true; for (auto &e : adj[u]) { if (!vis[e.to]) { dfs(e.to, target, min(limit, e.w)); } } vis[u] = false; // 回溯 } int main() { int n, m; scanf("%d %d", &n, &m); for (int i = 0; i < m; i++) { int u, v, w; scanf("%d %d %d", &u, &v, &w); adj[u].push_back({v, w}); adj[v].push_back({u, w}); } int q; scanf("%d", &q); while (q--) { int x, y; scanf("%d %d", &x, &y); ans_val = -1; memset(vis, 0, sizeof(vis)); dfs(x, y, 1e9); printf("%d\n", ans_val); } return 0; }
版本二:Kruskal 最大生成树 + 倍增 LCA(最优复杂度版)
思路思考过程:
- 最大生成树(MST)性质:两点之间“最小边权最大”的路径,一定存在于原图的最大生成树上。因为最大生成树保证了优先连接权值最大的边。
- 瓶颈转换:将 条边的图简化为至多 条边的树(或森林)。
- 路径查询:在树上,两点路径唯一。利用倍增法(Binary Lifting)在 时间内求出 ,同时维护路径上的最小值。
关键点/易错点:
- 森林处理:图不一定连通,必须对每个未访问的点跑 DFS,处理出多棵树。
- 倍增数组初始化:
minw[u][0]存的是 到父节点的边权。 - 数组范围:注意双向边邻接表要开 (如果是链式前向星)。
#include <iostream> #include <vector> #include <algorithm> #include <cstdio> #include <cstring> using namespace std; // 常量定义:N 为点数,M 为边数,LOGN 为倍增深度 const int MAXN = 10005; const int MAXM = 50005; const int LOGN = 16; const int INF = 1e9; // 统一使用 1e9,与生成器保持一致 // 结构体:存储原始边信息 struct Edge { int u, v, w; bool operator>(const Edge &b) const { return w > b.w; } } edges[MAXM]; // 结构体:邻接表存储最大生成树(或森林) struct Node { int to, w; }; vector<Node> tree[MAXN]; int n, m, q; int p[MAXN]; // 并查集 int f[MAXN][LOGN + 1]; // f[u][i] 表示 u 的第 2^i 级祖先 int minw[MAXN][LOGN + 1]; // minw[u][i] 表示 u 到其第 2^i 级祖先路径上的最小权值 int dep[MAXN]; // 深度 bool vis[MAXN]; // 访问标记,用于处理森林 // 并查集:查找根节点(路径压缩) int find(int x) { return p[x] == x ? x : p[x] = find(p[x]); } // Kruskal 算法构建最大生成树 void kruskal() { sort(edges, edges + m, greater<Edge>()); for (int i = 1; i <= n; i++) p[i] = i; int count = 0; for (int i = 0; i < m; i++) { int rootX = find(edges[i].u); int rootY = find(edges[i].v); if (rootX != rootY) { p[rootX] = rootY; tree[edges[i].u].push_back({edges[i].v, edges[i].w}); tree[edges[i].v].push_back({edges[i].u, edges[i].w}); if (++count == n - 1) break; } } } // DFS 预处理:深度、倍增表 void dfs(int u, int fa, int depth, int weight) { vis[u] = true; dep[u] = depth; f[u][0] = fa; minw[u][0] = weight; // 向上递推倍增表 for (int i = 1; i <= LOGN; i++) { f[u][i] = f[f[u][i - 1]][i - 1]; // 关键点:如果 f[u][i-1] 是 0,则 minw[0][i-1] 必须是 INF 才能不影响结果 minw[u][i] = min(minw[u][i - 1], minw[f[u][i - 1]][i - 1]); } for (auto &e : tree[u]) { if (e.to != fa) { dfs(e.to, u, depth + 1, e.w); } } } // LCA + 路径最小值查询 int query(int x, int y) { // 1. 如果不连通,返回 -1 if (find(x) != find(y)) return -1; // 2. 如果是同一个点,承重无限大(按照生成器标准给 1e9) if (x == y) return INF; int res = INF; // 始终让 x 处于更深的位置 if (dep[x] < dep[y]) swap(x, y); // 3. 先跳到同一深度 for (int i = LOGN; i >= 0; i--) { if (dep[f[x][i]] >= dep[y]) { res = min(res, minw[x][i]); x = f[x][i]; } } if (x == y) return res; // 4. 一起向上跳,直到 LCA 的下一层 for (int i = LOGN; i >= 0; i--) { if (f[x][i] != f[y][i]) { res = min(res, min(minw[x][i], minw[y][i])); x = f[x][i]; y = f[y][i]; } } // 5. 最后计入通往 LCA 的那两条边 return min(res, min(minw[x][0], minw[y][0])); } int main() { // 提高读入效率 if (scanf("%d %d", &n, &m) != 2) return 0; for (int i = 0; i < m; i++) { scanf("%d %d %d", &edges[i].u, &edges[i].v, &edges[i].w); } kruskal(); // 初始化 minw 数组,尤其是 minw[0] 必须全为 INF // 这样在 dfs 跳出根节点时,min 操作不会取到默认的 0 memset(minw, 0x3f, sizeof(minw)); // 将实际含义的 INF 赋值给 minw[0] 行 for(int i = 0; i <= LOGN; i++) minw[0][i] = INF; // 处理森林情况 for (int i = 1; i <= n; i++) { if (!vis[i]) { dfs(i, 0, 1, INF); } } if (scanf("%d", &q) != 1) return 0; while (q--) { int u, v; scanf("%d %d", &u, &v); printf("%d\n", query(u, v)); } return 0; }
复杂度分析思考过程
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时间复杂度:
- 最大生成树:排序花费 ,并查集加边 。
- 预处理:DFS 遍历整棵树一次,每个节点更新 20 层倍增表。复杂度 。
- 查询: 次查询,每次跳跃 。复杂度 。
- 总计:。对于 规模,这非常高效。
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空间复杂度:
- 邻接表存储树:。
- 倍增数组
f[N][21]和minw[N][21]:。 - 对于 个节点,内存占用不到 10MB,完全符合 128MB 限制。
时间复杂度优化建议
- 读入优化:虽然本题数据量中等( 查询),但如果 达到 以上,建议使用
getchar()实现的快速读入(Fast I/O)。 - LCA 优化:如果查询量极大,可以使用 Tarjan LCA(离线 )或转化为 RMQ 问题(ST 表 查询)。但在本题中,倍增法的代码量和复杂度的平衡点是最好的。
- 并查集路径压缩:在 Kruskal 时务必使用路径压缩,否则并查集退化会导致 MST 构建变慢。
读题关键词锁定
- “最多能运多重”:求路径最小值的最大值(最大瓶颈路)。
- “双向道路”:无向图,Kruskal 和邻接表要考虑对称性。
- “不能到达输出 -1”:处理森林(多连通分量)的标志。
- “两点之间多条道路”:MST 会自动选择最优边,无需手动去重边。
- 回溯:DFS 需要标记访问数组
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你好!作为教练,我非常欣慰看到你在钻研这道经典的 NOIP 提高组题目。这道题是图论综合题的典范,它巧妙地结合了森林、生成树与树上路径查询。
下面我们分步骤来剥开这道题的逻辑核心。
1. 思路提示:从“瓶颈”开始思考
我们要解决的问题是:在图上找一条从 到 的路径,使得这条路径上所有边的限重最小值的最大。
- 直观类比:想象你开着一辆货车经过一连串的小桥。决定你货车重量的不是最宽的那座桥,而是最窄的那座(瓶颈)。为了运更多的货,你要找一条路,让这条路上“最窄的桥”尽可能宽。
- 贪心观察:如果两点之间有多条路径,我们肯定优先选那些“限重很大”的边。如果某条限重很小的边在一个环里,它大概率是没用的。
- 结构简化:如果你不断挑选当前图里限重最大的边并加入图中,直到所有的点尽可能连通,你会发现最终起到决定性作用的边构成了一棵(或多棵)最大生成树。
- 树上决策:在树上,任意两点之间的路径是唯一的。那么问题就转化成了:在最大生成树(或森林)上,求 到 路径上的边权最小值。
2. 预备知识点
要独立完成这道题,你需要熟练掌握以下工具:
- 最大生成树 (Maximum Spanning Tree):通常使用 Kruskal 算法(将限重从大到小排序)。
- 并查集 (DSU):用于 Kruskal 过程中判断连通性,以及最后判断 和 是否在同一个连通分量里。
- 最近公共祖先 (LCA):因为树上 到 的路径必然经过 ,我们需要快速定位路径。
- 倍增算法 (Binary Lifting):不仅用于求 LCA,还要维护倍增数组 ,表示从 向上跳 步的过程中遇到的最小边权。
3. 教学启发:草稿纸上的推演过程
来,拿出一张草稿纸,跟我一起画图思考:
第一步:建立最大生成树(森林)
画一个包含环的图。尝试用 Kruskal 算法:
- 把所有边按限重降序排列。
- 依次加边,如果加这条边会形成环,就跳过。
- 思考:为什么不选限重小的边?因为如果有一条更宽的路能连通这两部分,窄路永远不会是我们的最优选择。
- 注意:图可能不连通,所以预处理出来的是最大生成森林。
第二步:树上路径拆解
假设我们要在树上找 到 的路径。
- 找到 。
- 路径被拆分为: 和 。
- 我们需要知道这两段路中所有边的最小值。
第三步:倍增预处理(核心逻辑)
在纸上写下递推式:
fa[u][k]: 的第 级祖先。fa[u][k] = fa[fa[u][k-1]][k-1]
w[u][k]:从 到fa[u][k]路径上的最小限重。- 启发式提问:如果你知道前半段(跳 步)的最小值和后半段(再跳 步)的最小值,整段的最小值是多少?
- 结论:
w[u][k] = min(w[u][k-1], w[fa[u][k-1]][k-1])
第四步:查询操作
- 用并查集看 根节点是否相同,不同则输出
-1。 - 同 LCA 过程:先将深的点跳到同一高度,跳动过程中不断更新
ans = min(ans, w[...][...])。 - 再一起向上跳,直到 LCA,跳动过程中继续更新
ans。
复杂度分析:
- 时间复杂度:
- 排序:。
- Kruskal:。
- DFS 预处理:。
- 查询:每次 ,总计 。
- 总结:,对于 级别的 和 的 绰绰有余。
- 空间复杂度:
- 主要在于倍增数组
fa[N][15]和w[N][15],空间 ,约占几 MB,非常安全。
- 主要在于倍增数组
4. 总结:读题关键词与题型特征
当你以后读到类似题目时,看到这些关键词就要警惕了:
- “最大化限重最小值的路径”:这是典型的 最大瓶颈路 问题,等价于 最大生成树 路径。
- “从 到 的路径” + “边权限制”:通常暗示你需要先简化图的结构(转为树),再进行树上查询。
- “多条道路”:提醒你最大生成树会自动帮你筛选掉这些重复或无用的低质量边。
- “不连通则输出 -1”:暗示你需要处理森林(多个连通分量),在 DFS 预处理时要从每个未访问的节点起手。
教练寄语: 这题是“倍增”思想从“跳位置”到“带权值”的一次完美升华。先搞定最大生成树,再把 LCA 模板带上权值更新,你就能攻克它!加油!
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信息
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- 5708
- 时间
- 1000ms
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- 128MiB
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