CF629E Famil Door and Roads【树上计数+分类讨论】

Online Judge：Codeforces629E，Luogu-CF629E

Label：树上计数，分类讨论，换根

题目描述

给出一棵n个节点的树。有m个询问，每一个询问包含两个数a、b，我们可以对任意两个不相连的点连一条无向边，并且使得加上这条边后a，b处在一个环内。对于每一个询问，求这样的环的期望长度。

$2<=n,m<=10^5$

输入

第一行包括两个整数n，m，分别表示节点数和询问数。

接下来n-1行，每行两个整数u、v表示有一条从u到v的边。

接下来m行，每行两个整数a、b（a≠b），表示一个询问。

输出

对于每一个询问，输出满足条件的环的期望长度。答案保留6位小数。

样例

Input#1

Output#1

Input#2

Output#2

题解

题目求的是期望，其实就是求两个东西，$all=$能形成环的个数，$ans=$所有环的长度总和，两者相除得到答案。

转化为树上的计数问题。接下来分两种情况讨论。

先交代下面会用到的数组，及其意义。

$sz[x]$：以x为根的子树所含节点的个数。

$dep[x]$：节点深度。

$fa[x][i=0..17]$：x向上第$2^i$个祖先（供后面倍增跳LCA用）。

$sum[x]$：$= ∑_{son∈x}dep[son]$，也就是子树中所有点的深度之和。

$tot[x]$：后面再说。

1.(u,v)不是祖先关系

发现只能将u,v子树里的点连起来。

所以，能形成环的个数$all=sz[u]*sz[v]$，其中$sz$数组表示子树所含节点个数。

所有环的长度之和：

\[ans+=sz[u]*(sum[v]-dep[v]*sz[v]);\\ans+=sz[v]*(sum[u]-dep[u]*sz[u]);\\ans+=all*(dep[u]+dep[v]-2*dep[lca]+1);(lca是指u,v的LCA)
\]

根据图很容易理解。

2.(u,v)是祖先关系

特殊点说明：将深度小的点作为u。son是u的儿子中通向v的那一个。v是深度较大的那一个。

如何求son？倍增向上跳$dep[v]-dep[u]-1$步，可以在O(logN)时间内得到。

看下面这幅图，我们只能在v的子树中选一个点，在蓝色部分（除子树son的点）选一个点，将两者相连，才能形成环。

所以，环的个数$all=sz[v]*(sz[1]-sz[son])$。

如何求环的长度总和？分成下面几部分分步求解。

这里换个元方便下面表示$sz1=sz[v]$，$sz2=(sz[1]-sz[son])$。$sz1$就是粉色部分的点数，$sz2$就是蓝色部分的点数。

part1:

$ans+=(sum[v]-dep[v]*sz1)*sz2+(dep[v]-dep[u])*all$

part2:

$ans+=1*all$

part3：

这个东西与前面几个相比不太好分析。

求树上两点(a,b)的距离就是$dep[a]+dep[b]-2*dep[LCA(a,b)]$。

全部加起来，那么现在我们求的就是下面这东西。

\[dep[u]*sz2+∑_{x∈bluepart}(dep[x]-2*dep[LCA(u,x)])
\]

前面那个可以O(1)算出。就是后面那一坨如何在可行的时间内弄出？

考虑预处理一个数组$tot[son]$，表示，若它的父亲节点为u，则$tot[son]=∑_{x∈bluepart}(dep[x]-2*dep[LCA(u,x)])$也就是上面式子中后面的部分。

dfs一遍，完成$tot$数组的预处理，转移如下。画个图还是很好理解的，当弄到x时，f就是上式的lca。

void dfs2(int x){

    int f=fa[x][0];

    if(f){

        tot[x]=tot[f]+sum[f]-sum[x];

        tot[x]-=2ll*(sz[f]-sz[x])*dep[f];

    }

    for(int i=head[x];i;i=e[i].nxt)if(e[i].to!=fa[x][0])dfs2(e[i].to);

}

综上分两种情况讨论，时间复杂度为$O(NlogN)$。

完整代码如下：

//原题CF629E

#include<bits/stdc++.h>

#define int long long

using namespace std;

typedef long long ll;

const int N=1e5+10;

inline int read(){

    int x=0;char c=getchar();

    while(c<'0'||c>'9')c=getchar();

    while(c>='0'&&c<='9')x=(x<<3)+(x<<1)+(c^48),c=getchar();

    return x;

}

struct edge{

    int to,nxt;

}e[N<<1];

int head[N],ecnt;

inline void link(int u,int v){

    e[++ecnt].to=v,e[ecnt].nxt=head[u];

    head[u]=ecnt;

}

int n,m;

ll sum[N],tot[N];

int sz[N],dep[N],fa[N][18];

ll gcd(ll a,ll b){return b==0?a:gcd(b,a%b);}

void dfs(int x,int f){

    fa[x][0]=f,dep[x]=dep[f]+1,sum[x]=dep[x];

    sz[x]=1;

    for(int i=head[x];i;i=e[i].nxt){

        int y=e[i].to;if(y==f)continue;

        dfs(y,x);

        sz[x]+=sz[y];

        sum[x]+=sum[y];

    }

}

void dfs2(int x){

    int f=fa[x][0];

    if(f){

        tot[x]=tot[f]+sum[f]-sum[x];

        tot[x]-=2ll*(sz[f]-sz[x])*dep[f];

    }

    for(int i=head[x];i;i=e[i].nxt)if(e[i].to!=fa[x][0])dfs2(e[i].to);

}

inline int jump(int x,int stp){

    for(int i=0;i<=17;i++)if(stp&(1<<i))x=fa[x][i];

    return x;

}

inline int LCA(int x,int y){

    if(dep[x]<dep[y])swap(x,y);

    int stp=dep[x]-dep[y];

    x=jump(x,stp);

    if(x==y)return x;

    for(int i=17;i>=0;i--)if(fa[x][i]!=fa[y][i])x=fa[x][i],y=fa[y][i];

    return fa[x][0];

}

signed main(){

    n=read(),m=read();

    for(int i=1;i<n;i++){

        int u=read(),v=read();

        link(u,v),link(v,u);

    }

    dfs(1,0),dfs2(1);

    for(int j=1;j<=17;j++)for(int i=1;i<=n;i++)fa[i][j]=fa[fa[i][j-1]][j-1];

    while(m--){

        int u=read(),v=read();

        if(dep[u]>dep[v])swap(u,v);

        int lca=LCA(u,v);

        ll all,ans;

        if(lca==u){

            int son=jump(v,dep[v]-dep[u]-1);

            int sz1=sz[v],sz2=sz[1]-sz[son];

            all=1ll*sz1*sz2,ans=0;

            ans+=1ll*(sum[v]-dep[v]*sz1)*sz2;

            ans+=1ll*(tot[son]+sz2*dep[u])*sz1;

            ans+=1ll*all*(dep[v]-dep[u]+1);

        }

        else{

            all=1ll*sz[u]*sz[v],ans=0;

            ans+=1ll*sz[u]*(sum[v]-dep[v]*sz[v]);

            ans+=1ll*sz[v]*(sum[u]-dep[u]*sz[u]);

            ans+=1ll*all*(dep[u]+dep[v]-2*dep[lca]+1);

        }

    	//ll g=gcd(all,ans);

        //printf("%lld/%lld\n",ans/g,all/g);

    	printf("%.7f\n",1.0*ans/all);

	}

}