[NOI2014] 魔法森林 - Link Cut Tree

[NOI2014] 魔法森林

Description

给定一张图，每条边 \(i\) 的权为 \((a_i,b_i)\)， 求一条 \(1 \sim n\) 路径，最小化 \(\max_{i\in P}{a_i} + \max_{i\in P}{b_i}\)

Solution

如果我们限定最大的 \(b_i\) ，那么路径一定在以 \(a_i\) 为权的最小生成树上。

Proof. 考虑反证，假设这条路径中有一条边不在 MST 上，那么这条非树边与树必然形成一个环，很显然用这条边换掉环上任意一条其它边会减小生成树的权值，与最小生成树的条件矛盾。

利用这个性质构造算法。我们从小到大枚举 \(b_i\) 的最大值，依次将边加入树中，同时用 LCT 维护以 \(a_i\) 为边权的最小生成树即可。

维护最小生成树的方法非常简单。利用 LCT 维护树链最大值，当新边 \((u,v,w)\) 加入时，我们考虑如果这条边比树链 \(u \sim v\) 上的最大值小，那么就用它换掉那个最大值的边。因此 LCT 上需要维护最大值以及最大值的位置。

使用 LCT 维护边权通常的做法是对边建点，点权赋为边权，而真实的点则不具有点权。同时维护边的基本信息。

以下阐述为较为具体的实现方式

在本题中，我们可以用编号 \(1 \sim n\) 的点来代表真实点，用编号 \(n+1 \sim n+m\) 的点来代表边，同时在一个结构体数组中以 \((u,v,w)\) 的形式记录边权的基本信息。注意边的编号可以用按照 \(b_i\) 为关键字排序后的代替。

在 LCT 的实现层面上，我们可以姑且忽略这一切，全当作维护树链的最大点权和最大点权点编号。

当我们需要查询 \(u \sim v\) 间的最大边权时，我们只需要在 LCT 上询问即可。

当我们需要删除一条边的时候，我们只需要知道它的编号 \(i\) ，然后断开 \((u_i, n+i)\) 和 \((v_i, n+i)\)

当我们需要加入一条边的时候，我们只需要知道它的编号 \(i\) ，然后连接 \((u_i, n+i)\) 和 \((v_i, n+i)\)

Code

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

#define int long long

const int N = 1000000;

int n,m;

struct Edge {
    int u,v,w,b;
    bool operator < (const Edge &x) const {
        return b < x.b;
    }
} e[N];

struct LinkCutTree {
    int top, q[N], ch[N][2], fa[N], rev[N], mx[N], mp[N], val[N];
    inline void pushup(int x) {
        mx[0]=mp[0]=0;
        mx[x] = max(max(mx[ch[x][0]],mx[ch[x][1]]),val[x]);
        if(mx[x] == mx[ch[x][0]])
            mp[x]=mp[ch[x][0]];
        if(mx[x] == mx[ch[x][1]])
            mp[x]=mp[ch[x][1]];
        if(mx[x] == val[x])
            mp[x]=x;
    }
    inline void pushdown(int x) {
        if(!rev[x])
            return;
        rev[ch[x][0]]^=1;
        rev[ch[x][1]]^=1;
        rev[x]^=1;
        swap(ch[x][0],ch[x][1]);
    }
    inline bool isroot(int x) {
        return ch[fa[x]][0]!=x && ch[fa[x]][1]!=x;
    }
    inline void rotate(int p) {
        int q=fa[p], y=fa[q], x=ch[fa[p]][1]==p;
        ch[q][x]=ch[p][x^1];
        fa[ch[q][x]]=q;
        ch[p][x^1]=q;
        fa[q]=p;
        fa[p]=y;
        if(y)
            if(ch[y][0]==q)
                ch[y][0]=p;
            else  if(ch[y][1]==q)
                ch[y][1]=p;
        pushup(q);
        pushup(p);
    }
    inline void splay(int x) {
        q[top=1]=x;
        for(int i=x; !isroot(i); i=fa[i])
            q[++top]=fa[i];
        for(int i=top; i; i--)
            pushdown(q[i]);
        for(; !isroot(x); rotate(x))
            if(!isroot(fa[x]))
                rotate((ch[fa[x]][0]==x)==(ch[fa[fa[x]]][0]==fa[x])?fa[x]:x);
    }
    void access(int x) {
        for(int t=0; x; t=x,x=fa[x])
            splay(x),ch[x][1]=t,pushup(x);
    }
    void makeroot(int x) {
        access(x);
        splay(x);
        rev[x]^=1;
    }
    int find(int x) {
        access(x);
        splay(x);
        while(ch[x][0])
            x=ch[x][0];
        return x;
    }
    void split(int x,int y) {
        makeroot(x);
        access(y);
        splay(y);
    }
    void cut(int x,int y) {
        split(x,y);
        if(ch[y][0]==x)
            ch[y][0]=0, fa[x]=0;
    }
    void link(int x,int y) {
        makeroot(x);
        fa[x]=y;
    }
    void setval(int p,int v) {
        val[p]=mx[p]=v;
        mp[p]=p;
    }
    int queryv(int p,int q) {
        split(p,q);
        return mx[q];
    }
    int queryp(int p,int q) {
        split(p,q);
        return mp[q];
    }
} lct;

bool check(int p,int q) {
    return lct.find(p)==lct.find(q);
}

int queryv(int p,int q) {
    return lct.queryv(p,q);
}

int queryp(int p,int q) {
    return lct.queryp(p,q)-n;
}

void link(int i) {
    lct.link(n+i,e[i].u);
    lct.link(n+i,e[i].v);
}

void cut(int i) {
    lct.cut(n+i,e[i].u);
    lct.cut(n+i,e[i].v);
}

int ans = 1e+12;

signed main() {
    scanf("%d%d",&n,&m);
    for(int i=1; i<=m; i++) {
        scanf("%d%d%d%d",&e[i].u,&e[i].v,&e[i].w,&e[i].b);
    }
    sort(e+1,e+m+1);
    for(int i=1;i<=n;i++) lct.setval(i, 0);
    for(int i=1;i<=m;i++) lct.setval(i+n, e[i].w);
    for(int i=1;i<=m;i++) {
        if(check(e[i].u,e[i].v)) {
            int v=queryv(e[i].u,e[i].v), p=queryp(e[i].u,e[i].v);
            if(v > e[i].w) {
                cut(p);
                link(i);
            }
        }
        else {
            link(i);
        }
        if(check(1,n)) {
            ans = min(ans, queryv(1,n) + e[i].b);
        }

    }
    if(ans < (int)1e+12) cout<<ans<<endl;
    else cout<<-1<<endl;
}