LCA: Lowest common ancestor

(Creat de wickedman la data de 2004-11-08 categoria Arbori, autor(i) Miron Emilian)

Continut scurt:
Problema luata in discutie este ca, avand un arbore dat sa putem raspunde rapid la multe intrebari de genul care este stramosul comun cel mai apropiat dintre doua noduri din arbore.

Continut lung:
Problema luata in discutie este ca, avand un arbore dat sa putem raspunde rapid la multe intrebari de genul care este stramosul comun cel mai apropiat dintre doua noduri din arbore.

Exemplu

Pentru arborele din imagine, avem ca exemplu urmatoarele query-uri:

lca(2,3) = 1

lca(4,5) = 1

lca(5,6) = 3

lca(1,5) = 1

lca(5,3) = 3

Aplicabilitate

Dandu-se un arbore cu costuri sa se raspunda rapid la intrebari de genul: care este distanta minima intre doua noduri date?

Solutie:

• agatam arborele intr-un nod oarecare si obtinem un arbore cu radacina.
• pentru fiecare nod precalculam dist[i], reprezentand distanta sa pana la radacina.
• precalculam cele necesare pt LCA.
• raspundem la intrebari de forma d(i,j) prin dist[i] + dist[j] â�� 2 * dist(lca(i,j)).
• Probleme adhoc care se reduc sau folosesc LCA. (de exemplu problema petrol (baraje Slatina 2003).

Mod de calcul

In prima etapa a algoritmului facem o parcurgere euleriana a arborelui dat. O parcurgere euleriana este o parcurgere a arborelui in ordinea din figura: se parcurg fii si se intercaleaza intre ei tatal, obtinand o parcurgere continua.

Mai exact pentru fiecare nod procedam astfel, incepand cu radacina:

• daca nodul curent este frunza il adaugam la parcurgere
• daca are fii atunci il punem la inceput, la sfarsit si intre parcurgerile euler ale fiilor
• Cand facem aceasta parcurgere retinem de asemenea si urmatoarele informatii suplimentare:
• adancimea fiecarui nod din parcurgere, obtinand un sir de adancimi
• una din pozitiile pe care fiecare nod apare in parcurgere

Ideea este ca lca(i, j) este chiar nodul cu cea mai mica adancime intre pozitiile lui i si a lui j in parcurgere. Pentru graful din figura avem:

Euler: 12421353631

Adancimi: 12321232321

4 3

lca(4,3)=min(adancimi de la pos⁴ la pos³) = 1

Am redus problema la aflarea minimului intre doua pozitii a unui sir (RMQ � range minimum query). Aceasta subproblema o putem rezolva optim folosind arbori de intervale, sau o metoda folosind spatiu supraliniar (NlgN) a minimelor pe intervale de puteri de 2, incepand de la pozitia i. Timpul de preprocesare este O(N) pentru arbori de intervale si O(NlgN) pentru a doua metoda. Timpul de interogare este O(lgN);
Vom discuta metoda cu spatiu NlgN. Calculam minimele inductiv, pastrand min[i][k] = minimul pe intervalui i..i + 2^{k � 1 (de lungime 2}k), si minpos[i][k] pozitia minimului de pe intervalul i..i + 2^k � 1.

pt k = 0
min[i]⁰ = a[i], minpos[i]⁰ = i;

pt k > 0
min[i][k] = minim(min[i][k-1],min[i+2^(k-1)][k-1])
minpos[i][k] = pozitia minimului

(minpos[i][k-1] sau minpos[i+2^(k-1)][k-1])

Pentru query intre pozitiile l, r procedam astfel:
Fie k cel mai mare nr astfel incat 2^k <= lungimea intervalului (r � l + 1)

min(l, r) = minim( min[l][k], min[r � 2^k + 1][k])

pozmin(l, r) = pozitia minimului

Daca l = pos[i], r = pos[j] (pos[i] < pos[j]) la sfarsitul query-ului euler[pozmin] este chiar lca(i, j).