树形 DP,即在树上进行的 DP。由于树固有的递归性质,树形 DP 一般都是递归进行的。
以下面这道题为例,介绍一下树形 DP 的一般过程。
他们之间有从属关系,也就是说他们的关系就像一棵以校长为根的树,父结点就是子结点的直接上司。现在有个周年庆宴会,宴会每邀请来一个职员都会增加一定的快乐指数 a_i ,但是呢,如果某个职员的上司来参加舞会了,那么这个职员就无论如何也不肯来参加舞会了。所以,请你编程计算,邀请哪些职员可以使快乐指数最大,求最大的快乐指数。
显然,我们可以推出下面两个状态转移方程(其中下面的 x 都是 i 的儿子):
我们可以通过 DFS,在返回上一层时更新当前结点的最优解。
树上的背包问题,简单来说就是背包问题与树形 DP 的结合。
现在有 n 门课程,第 i 门课程的学分为 a_i ,每门课程有零门或一门先修课,有先修课的课程需要先学完其先修课,才能学习该课程。
一位学生要学习 m 门课程,求其能获得的最多学分数。
每门课最多只有一门先修课的特点,与有根树中一个点最多只有一个父亲结点的特点类似。
因此可以想到根据这一性质建树,从而所有课程组成了一个森林的结构。为了方便起见,我们可以新增一门 0 学分的课程(设这个课程的编号为 0 ),作为所有无先修课课程的先修课,这样我们就将森林变成了一棵以 0 号课程为根的树。
我们设 f(uij) 表示以 u 号点为根的子树中,已经遍历了 u 号点的前 i 棵子树,选了 j 门课程的最大学分。
转移的过程结合了树形 DP 和背包 DP 的特点,我们枚举 u 点的每个子结点 v ,同时枚举以 v 为根的子树选了几门课程,将子树的结果合并到 u 上。
注意上面转移方程中的几个限制条件,这些限制条件确保了一些无意义的状态不会被访问到。
f 的第二维可以很轻松地用滚动数组的方式省略掉,注意这时需要倒序枚举 j 的值。
我们可以证明,该做法的时间复杂度为 O(nm) 1。
树形 DP 中的换根 DP 问题又被称为二次扫描,通常不会指定根结点,并且根结点的变化会对一些值,例如子结点深度和、点权和等产生影响。
通常需要两次 DFS,第一次 DFS 预处理诸如深度,点权和之类的信息,在第二次 DFS 开始运行换根动态规划。
接下来以一些例题来带大家熟悉这个内容。
给定一个 n 个点的树,请求出一个结点,使得以这个结点为根时,所有结点的深度之和最大。
不妨令 u 为当前结点, v 为当前结点的子结点。首先需要用 s_i 来表示以 i 为根的子树中的结点个数,并且有 s_u=\sum s_v 。显然需要一次 DFS 来计算所有的 s_i ,这次的 DFS 就是预处理,我们得到了以某个结点为根时其子树中的结点总数。
考虑状态转移,这里就是体现"换根"的地方了。令 f_u 为以 u 为根时,所有结点的深度之和。
f_v\leftarrow f_u 可以体现换根,即以 u 为根转移到以 v 为根。显然在换根的转移过程中,以 v 为根或以 u 为根会导致其子树中的结点的深度产生改变。所有在 v 的子树上的结点深度都减少了一,那么总深度和就减少了 s_v ;
所有不在 v 的子树上的结点深度都增加了一,那么总深度和就增加了 n-s_v ;
最后只需要遍历一次所有根结点深度和就可以求出答案。