Summary -「整体 DP」

cirnovsky /

不太了解这个东西的具体定义是什么,总之应该是一个用数据结构维护 DP 状态的某几个维度的 trick 吧。

事实上你可以把这篇 post 理解为三个题的解集。

先直接来看 noi2020 - Destiny 这个题。

给定一棵树 T=(V,E)T = (V, E) 和点对集合 QV×V\mathcal Q \subseteq V \times V ,满足对于所有 (u,v)Q(u, v) \in \mathcal Q,都有 uvu \neq v,并且 uuvv 在树 TT 上的祖先。其中 VVEE 分别代表树 TT 的结点集和边集。求有多少个不同的函数 ff : E{0,1}E \to \{0, 1\}(将每条边 eEe \in Ef(e)f(e) 值置为 0011),满足对于任何 (u,v)Q(u, v) \in \mathcal Q,都存在 uuvv 路径上的一条边 ee 使得 f(e)=1f(e) = 1。由于答案可能非常大,你只需要输出结果对 998,244,353998,244,353(一个素数)取模的结果。

我们略过 DP 的过程,直接给出其定义 f(x,j)f(x,j) 表示考虑子树 ii,限制条件的 vsubtree(x)v\in{\rm subtree}(x) 且限制 (u,v)(u,v) 尚未被满足,uu 的深度最深且 j=dep(u)j={\rm dep}(u) 的不同映射 f:Esubtree(x){0,1}f:E_{{\rm subtree}(x)}\rightarrow\{0,1\} 数量,以及其转移f(x,i)=f(x,i)ysuf(x)(j=0dep(x)f(y,j)+j=0if(y,j))+f(y,i)j=0i1f(x,j)f(x,i)= f(x,i)\sum\limits_{y\in{\rm suf}(x)}\left(\sum\limits_{j=0}^{{\rm dep}(x)}f(y,j)+\sum\limits_{j=0}^{i}f(y,j)\right)+f(y,i)\sum\limits_{j=0}^{i-1}f(x,j)

g(x)g(x)f(i)f(i) 的前缀和,得到平方级算法。

如果我们考虑把 DP 的第二维度状态放到线段树上,那么子树的合并就可以放到线段树上去做,即使用线段树的合并 trick 来做 DP。

我们来看看合并的具体过程。贴近实现,我们令 merge:{(x,y,l,r,sx,sy)}node{\rm merge}:\{(x,y,l,r,s_x,s_y)\}\rightarrow{\rm node} 表示线段树合并的过程,其中 sxs_x & sys_y 表示 DP 的前缀和(即 gg),在实现(以及下文的讲解)中,均把这两个变量视作别名。

有这样几种情形需要探讨。

  • l=rl=r:此时应该把 f(y,l)f(y,l) 合并到 f(x,l)f(x,l) 中,直接对线段树结点维护的 DP 值进行修改;
  • x=Ωx=\Omega:此时 f(x)f(x) 的 DP 值并没有意义,在本题中可以视作零。于是打乘法标记即可;
  • y=Ωy=\Omega:与上一条类似。

于是得到解决,参考实现。

再来看 pkuwc2018 - Minimax 这个题。

给出一棵有 nn 的结点的二叉有根树,并给出其叶子结点的权值,对于一个非叶子结点,其权值有 pip_i 概率取得儿子中的最大值, 1pi1-p_i 的概率取得最小值。

{vi}\{v_{i}\} 表示最终根结点(11-th 结点)的所有可能取值(升序排列),其个数记为 mm,每一个 viv_i 取得的概率记为 rir_i,将其按照 hash(i)=i×vi×ri{\rm hash}(i)=i\times v_i\times r_i 的规则求出 ihash(i)\sum_i{\rm hash}(i)

与上一题类(完 全)似(一 致)地,同样略过 DP 的过程,给出其定义 f(i,j)f(i,j) 表示结点 ii 取得值 jj 的概率,以及其转移 f(i,j)=vsuf(i)f(v,j)(pi1k<jf(v,k)+(1pi)j<kf(v,k))f(i,j)=\sum\limits_{v\in{\rm suf}(i)} f(v,j)\left(p_i\sum\limits_{1\leqslant k<j}f(v',k)+(1-p_i)\sum\limits_{j<k}f(v',k)\right),其中 vv' 表示 suf(i){v}{\rm suf}(i)\setminus\{v\} 中的唯一取值。

g(i)g(i)f(i)f(i) 的前缀和(显然这里的 \infty 并不是「真正的无限」),得到平方级的算法。

同样考虑把 DP 的第二维度状态放到线段树上,在线段树合并时维护 sxs_x & sys_y 表示 DP 的前缀和,直接维护即可。

参考实现。

最后来看到 codeforces - 671D / Roads in Yusland

给定一棵 nn 个点的以 11 为根的树。有 mm 条路径 (x,y)(x,y),保证 yyxxxx 的祖先,每条路径有一个权值。你要在这些路径中选择若干条路径,使它们能覆盖每条边,同时权值和最小。

这题的平方 DP 都有一定难度……看了 duyi 的题解挺久才理解……不过如果做过 noi2020 - Destiny 的话应该会好很多。

route(u,v){\rm route}(u,v) 中的 uu 为起点,vv 为终点,在 vv 决策一个 route 是否被选择。参考 noi2020 - Destiny 的状态设计,令 f(x,i)f(x,i) 表示在 subtree(x){\rm subtree}(x) 中选择了若干 routes,其中终点深度最深并且高于 dep(x){\rm dep}(x) 的深度为 ii 的最优方案。

转移即 f(x,i)=minysuf(x){f(y,i)+zsuf(x){y}g(z)}f(x,i)=\min\limits_{y\in{\rm suf}(x)}\{f(y,i)+\sum\limits_{z\in{\rm suf}(x)\setminus\{y\}}g(z)\},其中 g(x)=min1i<dep(x){f(x,i)}g(x)=\min\limits_{1\leqslant i<{\rm dep}(x)}\{f(x,i)\},还需要考虑每条 route 带来的额外转移,转移式显然不赘。这些 transforming formulae 也许带有一些构造成分在里面,至少我觉得不太自然……

然后考虑线段树合并优化,你需要支持区间增量 & 全局查询最小值 & 合并(与此同时区间取 min\min)& 单点取 min\min。因为 O((n+m)log2n)O((n+m)\log_2n) 的空间复杂度并不能通过此题。

考虑以时间换空间,我们采用权值平衡树 & 启发式合并来解决(参考实现中给出的是 std::set)。

平衡树上每个结点维护一个 2-tuple (i,f(x,i))(i,f(x,i)),以第一关键字排序。我们依次考虑如何支持上文的操作。

  • 区间增量:如果及时把 i>dep(x)i>{\rm dep}(x) 的元素弹出,这就变成了全局增量,直接维护即可;
  • 全局查询最小值:这个是本题最妙的地方,因为关键字的选取,平衡树无法简单地取出最小值,我们需要更多的性质。注意到 j<k,s.t.f(x,j)<f(x,k)\forall j<k,s.t.f(x,j)<f(x,k),此时的 kk 都是无用的,可以直接删除,这得出了此题的单调性。如此全局最小值就是平衡树上最右边的结点;
  • 合并:启发式合并即可;
  • 单点取 min\min:相当于插入操作,直接来即可,需要注意一些不是特别细的细节(雾)。

如此时间复杂度退成了 O((n+m)log22n)O((n+m)\log_2^2n),但是空间复杂度优化到了 O(n+m)O(n+m),可以通过此题。

参考实现。