树链剖分

简介

树链剖分用于将树分割成若干条链的形式，以维护树上路径的信息。
重链剖分可以将树上的任意一条路径划分成不超过$O(log\space n)$条连续的链，每条链上的点深度互不相同（即是自底向上的一条链，链上所有点的 LCA 为链的一个端点）。
重链剖分还能保证划分出的每条链上的节点 DFS 序连续，因此可以方便地用一些维护序列的数据结构（如线段树）来维护树上路径的信息。
如:

  1. 修改树上两点之间的路径上所有点的值。
  2. 查询树上两点之间的路径上节点权值的 和/极值/其它（在序列上可以用数据结构维护，便于合并的信息） 。

除了配合数据结构来维护树上路径信息，树剖还可以用来 $O(log\space n)$（且常数较小）地求 LCA。在某些题目中，还可以利用其性质来灵活地运用树剖。

定义

定义重子节点表示其子节点中子树最大的子结点。如果有相同的，任意取。如果没有子节点，就没有。
定义轻子节点表示剩余的子结点。
从这个结点到重子节点的边叫重边。
到其他轻子节点的边叫轻边。
若干条首尾衔接的重边构成重链。
把落单的结点也当作重链，那么整棵树就被剖分成若干条重链。

实现

第一个 DFS 记录每个结点的父节点（father）、深度（deep）、子树大小（size）、重子节点（hson）。
第二个 DFS 记录所在链的链顶（top，应初始化为结点本身）、重边优先遍历时的 DFS 序（dfn）、DFS 序对应的节点编号（rank）。

f[u] 保存结点u的父亲节点
d[u] 保存结点u的深度值
size[u] 保存以u为根的子树节点个数
son[u] 保存重儿子
rk[u] 保存当前dfs标号在树中所对应的节点
top[u] 保存当前节点所在链的顶端节点
id[u] 保存树中每个节点剖分以后的新编号（DFS的执行顺序）

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const int maxn=1e5+10;
struct edge{
    int next,to;
}e[2*maxn];
struct Node{
    int sum,lazy,l,r,ls,rs;
}node[2*maxn];
int rt,n,m,r;
int a[maxn],cnt,head[maxn],f[maxn],d[maxn],size[maxn];
int son[maxn],rk[maxn],top[maxn],id[maxn];

void dfs1(int u,int fa,int depth)    //当前节点、父节点、层次深度
{
    f[u]=fa;
    d[u]=depth;
    size[u]=1;    //这个点本身size=1
    for(int i=head[u];i;i=e[i].next)
    {
        int v=e[i].to;
        if(v==fa)
            continue;
        dfs1(v,u,depth+1);    //层次深度+1
        size[u]+=size[v];    //子节点的size已被处理，用它来更新父节点的size
        if(size[v]>size[son[u]])
            son[u]=v;    //选取size最大的作为重儿子
    }
}
//进入
dfs1(root,0,1);

void dfs2(int u,int t)    //当前节点、重链顶端
{
    top[u]=t;
    id[u]=++cnt;    //标记dfs序
    rk[cnt]=u;    //序号cnt对应节点u
    if(!son[u])
        return;
    dfs2(son[u],t);
/*我们选择优先进入重儿子来保证一条重链上各个节点dfs序连续，
一个点和它的重儿子处于同一条重链，所以重儿子所在重链的顶端还是t*/
    for(int i=head[u];i;i=e[i].next)
    {
        int v=e[i].to;
        if(v!=son[u]&&v!=f[u])
            dfs2(v,v);    //一个点位于轻链底端，那么它的top必然是它本身
    }
}

模板题

题目链接

AC代码

输入样例

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3 4 2
3 2 2
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2 1 3

输出样例

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#include<algorithm>
#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<cstdio>
#define Rint register int
#define mem(a,b) memset(a,(b),sizeof(a))
#define Temp template<typename T>
using namespace std;
typedef long long LL;
Temp inline void read(T &x){
    x=0;T w=1,ch=getchar();
    while(!isdigit(ch)&&ch!='-')ch=getchar();
    if(ch=='-')w=-1,ch=getchar();
    while(isdigit(ch))x=(x<<3)+(x<<1)+(ch^'0'),ch=getchar();
    x=x*w;
}

#define mid ((l+r)>>1)
#define lson rt<<1,l,mid
#define rson rt<<1|1,mid+1,r
#define len (r-l+1)

const int maxn=200000+10;
int n,m,r,mod;
//见题意 
int e,beg[maxn],nex[maxn],to[maxn],w[maxn],wt[maxn];
//链式前向星数组，w[]、wt[]初始点权数组 
int a[maxn<<2],laz[maxn<<2];
//线段树数组、lazy操作 
int son[maxn],id[maxn],fa[maxn],cnt,dep[maxn],siz[maxn],top[maxn]; 
//son[]重儿子编号,id[]新编号,fa[]父亲节点,cnt dfs_clock/dfs序
//dep[]深度,siz[]子树大小,top[]当前链顶端节点 
int res=0;
//查询答案 

inline void add(int x,int y){//链式前向星加边 
    to[++e]=y;
    nex[e]=beg[x];
    beg[x]=e;
}
//-------------------------------------- 以下为线段树 
inline void pushdown(int rt,int lenn){
    laz[rt<<1]+=laz[rt];
    laz[rt<<1|1]+=laz[rt];
    a[rt<<1]+=laz[rt]*(lenn-(lenn>>1));
    a[rt<<1|1]+=laz[rt]*(lenn>>1);
    a[rt<<1]%=mod;
    a[rt<<1|1]%=mod;
    laz[rt]=0;
}

inline void build(int rt,int l,int r){
    if(l==r){
        a[rt]=wt[l];
        if(a[rt]>mod)a[rt]%=mod;
        return;
    }
    build(lson);
    build(rson);
    a[rt]=(a[rt<<1]+a[rt<<1|1])%mod;
}

inline void query(int rt,int l,int r,int L,int R){
    if(L<=l&&r<=R){res+=a[rt];res%=mod;return;}
    else{
        if(laz[rt])pushdown(rt,len);
        if(L<=mid)query(lson,L,R);
        if(R>mid)query(rson,L,R);
    }
}

inline void update(int rt,int l,int r,int L,int R,int k){
    if(L<=l&&r<=R){
        laz[rt]+=k;
        a[rt]+=k*len;
    }
    else{
        if(laz[rt])pushdown(rt,len);
        if(L<=mid)update(lson,L,R,k);
        if(R>mid)update(rson,L,R,k);
        a[rt]=(a[rt<<1]+a[rt<<1|1])%mod;
    }
}
//---------------------------------以上为线段树 
inline int qRange(int x,int y){
    int ans=0;
    while(top[x]!=top[y]){//当两个点不在同一条链上 
        if(dep[top[x]]<dep[top[y]])swap(x,y);//把x点改为所在链顶端的深度更深的那个点
        res=0;
        query(1,1,n,id[top[x]],id[x]);//ans加上x点到x所在链顶端 这一段区间的点权和
        ans+=res;
        ans%=mod;//按题意取模 
        x=fa[top[x]];//把x跳到x所在链顶端的那个点的上面一个点
    }
    //直到两个点处于一条链上
    if(dep[x]>dep[y])swap(x,y);//把x点深度更深的那个点
    res=0;
    query(1,1,n,id[x],id[y]);//这时再加上此时两个点的区间和即可
    ans+=res;
    return ans%mod;
}

inline void updRange(int x,int y,int k){//同上 
    k%=mod;
    while(top[x]!=top[y]){
        if(dep[top[x]]<dep[top[y]])swap(x,y);
        update(1,1,n,id[top[x]],id[x],k);
        x=fa[top[x]];
    }
    if(dep[x]>dep[y])swap(x,y);
    update(1,1,n,id[x],id[y],k);
}

inline int qSon(int x){
    res=0;
    query(1,1,n,id[x],id[x]+siz[x]-1);//子树区间右端点为id[x]+siz[x]-1 
    return res;
}

inline void updSon(int x,int k){//同上 
    update(1,1,n,id[x],id[x]+siz[x]-1,k);
}

inline void dfs1(int x,int f,int deep){//x当前节点，f父亲，deep深度 
    dep[x]=deep;//标记每个点的深度 
    fa[x]=f;//标记每个点的父亲 
    siz[x]=1;//标记每个非叶子节点的子树大小 
    int maxson=-1;//记录重儿子的儿子数 
    for(Rint i=beg[x];i;i=nex[i]){
        int y=to[i];
        if(y==f)continue;//若为父亲则continue 
        dfs1(y,x,deep+1);//dfs其儿子 
        siz[x]+=siz[y];//把它的儿子数加到它身上 
        if(siz[y]>maxson)son[x]=y,maxson=siz[y];//标记每个非叶子节点的重儿子编号 
    }
}

inline void dfs2(int x,int topf){//x当前节点，topf当前链的最顶端的节点 
    id[x]=++cnt;//标记每个点的新编号 
    wt[cnt]=w[x];//把每个点的初始值赋到新编号上来 
    top[x]=topf;//这个点所在链的顶端 
    if(!son[x])return;//如果没有儿子则返回 
    dfs2(son[x],topf);//按先处理重儿子，再处理轻儿子的顺序递归处理 
    for(Rint i=beg[x];i;i=nex[i]){
        int y=to[i];
        if(y==fa[x]||y==son[x])continue;
        dfs2(y,y);//对于每一个轻儿子都有一条从它自己开始的链 
    }
}

int main(){
    read(n);read(m);read(r);read(mod);
    for(Rint i=1;i<=n;i++)read(w[i]);
    for(Rint i=1;i<n;i++){
        int a,b;
        read(a);read(b);
        add(a,b);add(b,a);
    }
    dfs1(r,0,1);
    dfs2(r,r);
    build(1,1,n);
    while(m--){
        int k,x,y,z;
        read(k);
        if(k==1){
            read(x);read(y);read(z);
            updRange(x,y,z);
        }
        else if(k==2){
            read(x);read(y);
            printf("%d\n",qRange(x,y));
        }
        else if(k==3){
            read(x);read(y);
            updSon(x,y);
        }
        else{
            read(x);
            printf("%d\n",qSon(x));
        }
    }
}