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[DP總結]樹形DP

mat 分類 開始 是否 一道 如何 之間 要求 文件

樹形DP

樹形DP,顧名思義,是在樹上進行DP操作,因此往往需要使用DP實現,在轉移時,通常先遞歸求出子樹中的解,再在根節點進行計算轉移。

樹中只有兩種關系,一種是父子關系,一種是平行關系。

下面是幾道簡單的樹形DP。從中我們可以窺出樹形DP的本質。

[luogu] P1352 沒有上司的舞會

題目描述

某大學有N個職員,編號為1~N。他們之間有從屬關系,也就是說他們的關系就像一棵以校長為根的樹,父結點就是子結點的直接上司。現在有個周年慶宴會,宴會每邀請來一個職員都會增加一定的快樂指數Ri,但是呢,如果某個職員的上司來參加舞會了,那麽這個職員就無論如何也不肯來參加舞會了。所以,請你編程計算,邀請哪些職員可以使快樂指數最大,求最大的快樂指數。

輸入輸出格式

輸入格式:

第一行一個整數N。(1<=N<=6000)

接下來N行,第i+1行表示i號職員的快樂指數Ri。(-128<=Ri<=127)

接下來N-1行,每行輸入一對整數L,K。表示K是L的直接上司。

最後一行輸入0 0

輸出格式:

輸出最大的快樂指數。

輸入輸出樣例

輸入樣例#1:

7
1
1
1
1
1
1
1
1 3
2 3
6 4
7 4
4 5
3 5
0 0

輸出樣例#1:

5

最經典的一道題之一。考慮這道題中每個人之間的關系,可以發現每個人的上司可以看做是他的父節點,並且呈樹狀分布,顯然是樹形DP的思路。由於如果某個職員的上司來參加舞會了,那麽這個職員就無論如何也不肯來參加舞會,那麽我們定義\(dp[u][0/1]\)

表示當前選(1)或不選(0)的最大可行值。那麽DP轉移方程顯而易見:\(dp[u][0]+=max(dp[v][0] + dp[v][1])\)\(dp[u][1]+=dp[v][0]\)其中\(v \in u.to\)

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <map>
#include <queue>
#include <vector>
using namespace std;

const int MAXN = 6010;
int n, w[MAXN];
int fa[MAXN], dp[MAXN][2];

struct Edge {
    int nxt, to;
}e[MAXN];

template <typename _Tp>
inline void read(_Tp &x) {
    char ch = getchar( ); bool f = 0; x = 0;
    while (!isdigit(ch)) { if (ch == '-') f = 1; ch = getchar( ); }
    while (isdigit(ch)) { x = x * 10 + ch - '0'; ch = getchar( ); }
    x *= f;
}

int head[MAXN], tot;
inline void AddEdge(int x, int y) {
    e[++ tot].to = y, e[tot].nxt = head[x], head[x] = tot;
}

int Dfs(int u) {
    dp[u][0] = 0, dp[u][1] = w[u];
    for (int i = head[u], v; i; i = e[i].nxt) {
        v = e[i].to;
        Dfs(v);
        dp[u][0] += max(dp[v][0], dp[v][1]);
        dp[u][1] += dp[v][0];
    }
}

int main( ) {
    read(n);
    for (int i = 1; i <= n; ++ i) read(w[i]);
    int L, K; 
    for (int i = 1; i < n; ++ i) {
        read(L), read(K);
        AddEdge(K, L);
        fa[L] = K;
    }
    //尋找根節點
    int rt = 1;
    while (fa[rt]) rt = fa[rt];
    Dfs(rt);
    printf("%d\n", max(dp[rt][0], dp[rt][1]));
    return 0;
}

上面的代碼運行了29ms,不快不慢,標準樹形DP。

還有一種做法,可以達到0ms,時間復雜度直逼\(O(n)\)輸入下界。代碼是這樣的:

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <map>
#include <queue>
#include <vector>
using namespace std;

const int MAXN = 6010;
int n, w[MAXN];
int dp[MAXN][2];

template <typename _Tp>
inline void read(_Tp &x) {
    char ch = getchar( ); bool f = 0; x = 0;
    while (!isdigit(ch)) { if (ch == '-') f = 1; ch = getchar( ); }
    while (isdigit(ch)) { x = x * 10 + ch - '0'; ch = getchar( ); }
    x *= f;
}

int main( ) {
    int ans = 0;
    read(n);
    for (int i = 1; i <= n; ++ i) read(dp[i][1]);
    int u, v;
    for (int i = 1; i < n; ++ i) {
        scanf("%d%d", &v, &u);
        dp[u][1] += dp[v][0];
        dp[u][0] += max(dp[v][0], dp[v][1]);
        ans = max(ans, max(dp[u][0], dp[u][1]));
    }
    printf("%d\n", ans);
    return 0;
}

上述代碼直接拋棄了顯性的樹形結構,對於每個輸入的父子節點,在輸入時直接用子節點更新父節點的最優值,利用了線性DP的思想。由此可見,樹形DP是很靈活的,太過拘泥於樹有時反而想不到最優解法。

但是相比較而言,樹形遞歸要比遞推的思路更加顯然,更加清晰,因此在做一些比較復雜,不好遞推的題目時,遞歸Dfs顯然是必須的。

[luogu] P2014 選課

題目描述

在大學裏每個學生,為了達到一定的學分,必須從很多課程裏選擇一些課程來學習,在課程裏有些課程必須在某些課程之前學習,如高等數學總是在其它課程之前學習。現在有N門功課,每門課有個學分,每門課有一門或沒有直接先修課(若課程a是課程b的先修課即只有學完了課程a,才能學習課程b)。一個學生要從這些課程裏選擇M門課程學習,問他能獲得的最大學分是多少?

輸入輸出格式

輸入格式:

第一行有兩個整數N,M用空格隔開。(1<=N<=300,1<=M<=300)

接下來的N行,第I+1行包含兩個整數ki和si, ki表示第I門課的直接先修課,si表示第I門課的學分。若ki=0表示沒有直接先修課(1<=ki<=N, 1<=si<=20)。

輸出格式:

只有一行,選M門課程的最大得分。

輸入輸出樣例

輸入樣例#1:

7  4
2  2
0  1
0  4
2  1
7  1
7  6
2  2

輸出樣例#1:

13

還是顯然的樹形DP。首先要處理的問題是,關於本題的關系結構。細心的同學可能會發現,題目中並沒有保證這是一棵樹,準確來說,本題的關系是一個森林。對於這種結構,我們通常增加一個虛擬節點0,並從0向各個不連通的樹的根連一條邊,使之成為一顆真正的多叉樹。題目中\(k_i=0\)表示沒有直接先修課這個性質實際上簡化了這一問題,這樣只需正常讀入即可保證是一棵根節點為0的樹。

考慮\(dp[i][j]\)表示以\(i\)為根,選了\(j\)個節點的最大值。那麽轉移方程就是\(dp[i][j]=max(dp[v][k] + dp[i][j-k-1]+s[v])\)。表示以\(i\)為根,選了\(j-k-1\)個節點之後,由於要從他的兒子中選節點他自己本身必須選,所以先選上\(v\)節點本身,再從他的一個兒子中選取\(k\)個節點。答案是\(dp[0][m]\)

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <map>
#include <queue>
#include <vector>
using namespace std;

const int MAXN = 1010;
int n, m, s[MAXN];
int dp[MAXN][MAXN];

struct Edge {
    int nxt, to;
}e[MAXN];

template <typename _Tp>
inline void read(_Tp &x) {
    char ch = getchar( ); _Tp f = 0; x = 0;
    while (!isdigit(ch)) { if (ch == '-') f = 1; ch = getchar( ); }
    while (isdigit(ch)) { x = x * 10 + ch - '0'; ch = getchar( ); }
    x *= f;
}

int head[MAXN], tot;
inline void AddEdge(int x, int y) {
    e[++ tot].to = y, e[tot].nxt = head[x], head[x] = tot;
}

void Dfs(int u) { 
    for (int i = head[u], v; i; i = e[i].nxt) { 
        v = e[i].to; 
        Dfs(v); 
        for (int j = m; j; -- j) 
            for (int k = j - 1; k >= 0; -- k) 
                dp[u][j] = max(dp[u][j], dp[v][k] + dp[u][j - k - 1] + s[v]);
    }
}

int main( ) {
    read(n), read(m);
    int fa;
    for (int i = 1; i <= n; ++ i) {
        read(fa);
        read(s[i]);
        AddEdge(fa, i);
    }
    Dfs(0);
    printf("%d\n", dp[0][m]);
    return 0;
}

觀察這個轉移方程,我們發現,它與分組背包十分類似。事實上,這道題就是一個經典的樹上分組背包模型。

[luogu] P2015 二叉蘋果樹

題目描述

有一棵蘋果樹,如果樹枝有分叉,一定是分2叉(就是說沒有只有1個兒子的結點)

這棵樹共有N個結點(葉子點或者樹枝分叉點),編號為1-N,樹根編號一定是1。

我們用一根樹枝兩端連接的結點的編號來描述一根樹枝的位置。下面是一顆有4個樹枝的樹

2   5
 \ / 
  3   4
   \ /
    1

現在這顆樹枝條太多了,需要剪枝。但是一些樹枝上長有蘋果。

給定需要保留的樹枝數量,求出最多能留住多少蘋果。

輸入輸出格式

輸入格式:

第1行2個數,N和Q(1<=Q<= N,1<N<=100)。

N表示樹的結點數,Q表示要保留的樹枝數量。接下來N-1行描述樹枝的信息。

每行3個整數,前兩個是它連接的結點的編號。第3個數是這根樹枝上蘋果的數量。

每根樹枝上的蘋果不超過30000個。

輸出格式:

一個數,最多能留住的蘋果的數量。

輸入輸出樣例

輸入樣例#1:

5 2
1 3 1
1 4 10
2 3 20
3 5 20

輸出樣例#1:

21

觀察到本題與上一題十分類似,稍微不同的是,上一題是多叉樹,本題是二叉樹,這對DP本身沒有什麽實質性的影響。註意題目中說道“一些樹枝上長有蘋果”,也就是說蘋果數量並不是點權而是邊權,因此本題的狀態轉移與上一題有細微的差別(將點權變為邊權)。還有一點不同是,題目中的讀入數據並沒有給定明確的父子關系,因此如何建樹是一個問題。這種情況下最常見的方法是將邊建成雙向邊。每次Dfs時,判斷它是否往回指向了父節點,如果是直接跳過,不是則表明當前節點就是子節點。

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <map>
#include <queue>
#include <vector>
using namespace std;

const int MAXN = 1010;
int N, Q; 
int dp[MAXN][MAXN];

struct Edge {
    int nxt, to, val;
}e[MAXN << 1];

template <typename _Tp>
inline void read(_Tp &x) {
    char ch = getchar( ); _Tp f = 1; x = 0;
    while (!isdigit(ch)) { if (ch == '-') f = -1; ch = getchar( ); }
    while (isdigit(ch)) x = x * 10 + ch - '0', ch = getchar( );  
    x *= f;
}

int head[MAXN], tot;
void AddEdge(int x, int y, int z) {
    e[++ tot].to = y, e[tot].val = z, e[tot].nxt = head[x], head[x] = tot;
}

void Dfs(int u, int fa) {
    for (int i = head[u], v; ~i; i = e[i].nxt) {
        v = e[i].to;
        if (v == fa) continue;
        Dfs(v, u);
        for (int j = Q; j; -- j)
            for (int k = j - 1; k >= 0; -- k)
                dp[u][j] = max(dp[u][j], dp[v][k] + dp[u][j - k - 1] + e[i].val);
    }
}

int main( ) {
    memset(head, -1, sizeof(head));
    read(N), read(Q);
    int x, y, z;
    for (int i = 1; i < N; ++ i) {
        read(x), read(y), read(z);
        AddEdge(x, y, z);
        AddEdge(y, x, z);
    }
    Dfs(1, 0);
    printf("%d\n", dp[1][Q]);
    return 0;
}

實際上可以加一個小優化,增加一個數組\(cntE[i]\)表示以\(i\)為根的樹的邊數,那麽轉移為

void Dfs(int u, int fa) {
    for (int i = head[u], v; ~i; i = e[i].nxt) {
        v = e[i].to;
        if (v == fa) continue;
        Dfs(v, u);
        cntE[u] += cntE[v] + 1;
        for (int j = min(Q, cntE[u]); j; -- j)
            for (int k = min(j - 1, cntE[v]); k >= 0; -- k)
                dp[u][j] = max(dp[u][j], dp[v][k] + dp[u][j - k - 1] + e[i].val);
    }
}

然而並沒有什麽卵用

[luogu] P1273 有線電視網

題目描述

某收費有線電視網計劃轉播一場重要的足球比賽。他們的轉播網和用戶終端構成一棵樹狀結構,這棵樹的根結點位於足球比賽的現場,樹葉為各個用戶終端,其他中轉站為該樹的內部節點。

從轉播站到轉播站以及從轉播站到所有用戶終端的信號傳輸費用都是已知的,一場轉播的總費用等於傳輸信號的費用總和。

現在每個用戶都準備了一筆費用想觀看這場精彩的足球比賽,有線電視網有權決定給哪些用戶提供信號而不給哪些用戶提供信號。

寫一個程序找出一個方案使得有線電視網在不虧本的情況下使觀看轉播的用戶盡可能多。

輸入輸出格式

輸入格式:

輸入文件的第一行包含兩個用空格隔開的整數N和M,其中2≤N≤3000,1≤M≤N-1,N為整個有線電視網的結點總數,M為用戶終端的數量。

第一個轉播站即樹的根結點編號為1,其他的轉播站編號為2到N-M,用戶終端編號為N-M+1到N。

接下來的N-M行每行表示—個轉播站的數據,第i+1行表示第i個轉播站的數據,其格式如下:

K A1 C1 A2 C2 … Ak Ck

K表示該轉播站下接K個結點(轉播站或用戶),每個結點對應一對整數A與C,A表示結點編號,C表示從當前轉播站傳輸信號到結點A的費用。最後一行依次表示所有用戶為觀看比賽而準備支付的錢數。

輸出格式:

輸出文件僅一行,包含一個整數,表示上述問題所要求的最大用戶數。

輸入輸出樣例

輸入樣例#1:

5 3
2 2 2 5 3
2 3 2 4 3
3 4 2

輸出樣例#1:

2

說明

樣例解釋

技術分享圖片

如圖所示,共有五個結點。結點①為根結點,即現場直播站,②為一個中轉站,③④⑤為用戶端,共M個,編號從N-M+1到N,他們為觀看比賽分別準備的錢數為3、4、2,從結點①可以傳送信號到結點②,費用為2,也可以傳送信號到結點⑤,費用為3(第二行數據所示),從結點②可以傳輸信號到結點③,費用為2。也可傳輸信號到結點④,費用為3(第三行數據所示),如果要讓所有用戶(③④⑤)都能看上比賽,則信號傳輸的總費用為:

2+3+2+3=10,大於用戶願意支付的總費用3+4+2=9,有線電視網就虧本了,而只讓③④兩個用戶看比賽就不虧本了。

一眼題……依然是個樹上依賴分組背包。\(dp[i][j]\)表示以\(i\)為根節點,選了\(j\)個終端的最大收益。

本題的不同之處在於,選就一定要選到根節點(用戶端),不然顯然虧了。

鑒於本題的特殊性,Dfs寫成int類型比較好。

(我保證下一題一定不是樹上分組背包了)

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <map>
#include <queue>
#include <vector>
using namespace std;

const int MAXN = 3010;
int N, M; 
int f[MAXN][MAXN], W[MAXN];

struct Edge {
    int nxt, to, val;
}e[MAXN];

template <typename _Tp>
inline void read(_Tp &x) {
    char ch = getchar( ); _Tp f = 1; x = 0;
    while (!isdigit(ch)) { if (ch == '-') f = -1; ch = getchar( ); }
    while (isdigit(ch)) x = x * 10 + ch - '0', ch = getchar( );  
    x *= f;
}

int head[MAXN], tot;
void AddEdge(int x, int y, int z) {
    e[++ tot].to = y, e[tot].val = z, e[tot].nxt = head[x], head[x] = tot;
}

int Dfs(int u) {
    if (u > N - M) {
        f[u][1] = W[u];
        return 1;
    }
    int sum = 0; //sum表示當前節點子樹中共選了多少終端 
    for (int i = head[u], v; ~i; i = e[i].nxt) {
        v = e[i].to;
        sum += Dfs(v);
        for (int j = sum; j; -- j)
            for (int k = sum; k; -- k) 
                f[u][j] = max(f[u][j], f[v][k] + f[u][j - k] - e[i].val);
    }
    return sum;
}

int main( ) {
    memset(head, -1, sizeof(head));
    read(N), read(M);
    int x, y, k;
    for (int i = 1; i <= N - M; ++ i) {
        read(k);
        for (int j = 1; j <= k; ++ j) {
            read(x), read(y);
            AddEdge(i, x, y);
        }
    }
    for (int i = 1; i <= M; ++ i) read(W[N - M + i]);
    memset(f, -10, sizeof(f));
    for (int i = 1; i <= N; ++ i) f[i][0] = 0; 
    Dfs(1);
    for (int i = M; i; -- i) if (f[1][i] >= 0) {
        printf("%d\n", i);
        break;
    }
    return 0;
}

一定要註意DP數組的初值要足夠小啊QWQ

[luogu] P1270 “訪問”美術館

題目描述

經過數月的精心準備,Peer Brelstet,一個出了名的盜畫者,準備開始他的下一個行動。藝術館的結構,每條走廊要麽分叉為兩條走廊,要麽通向一個展覽室。Peer知道每個展室裏藏畫的數量,並且他精確測量了通過每條走廊的時間。由於經驗老到,他拿下一幅畫需要5秒的時間。你的任務是編一個程序,計算在警察趕來之前,他最多能偷到多少幅畫。

技術分享圖片

輸入輸出格式

輸入格式:

第1行是警察趕到的時間,以s為單位。第2行描述了藝術館的結構,是一串非負整數,成對地出現:每一對的第一個數是走過一條走廊的時間,第2個數是它末端的藏畫數量;如果第2個數是0,那麽說明這條走廊分叉為兩條另外的走廊。數據按照深度優先的次序給出,請看樣例。

一個展室最多有20幅畫。通過每個走廊的時間不超過20s。藝術館最多有100個展室。警察趕到的時間在10min以內。

輸出格式:

輸出偷到的畫的數量

輸入輸出樣例

輸入樣例#1:

60
7 0 8 0 3 1 14 2 10 0 12 4 6 2

輸出樣例#1:

2

這題就比較有意思了。首先輸入就比較有意思……仔細分析發現可以遞歸讀入當前節點的左兒子右兒子,將整張圖抽象成一棵樹。顯然每條走廊來一次,回一次,一共要走兩次,所以時間要乘2。如果當前節點有畫可偷,直接考慮消耗\(i\)的時間可以投多少畫,也就是\(dp[u][i]=min((i - t[u].t) / 5, t[u].p)\)。(別忘了最多只能偷\(t[u].p\)張畫)。沒畫可偷,就意味著有一個分叉道路,也就是需要遞歸左右兒子節點,然後做一次背包即可。所以這是一道經典樹形背包問題。

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <map>
#include <queue>
#include <vector>
#define ls (u << 1)
#define rs (u << 1 | 1)
using namespace std;

const int MAXN = 1010;
int S;
int dp[MAXN][MAXN];

struct Tree {
    int t, p;
}t[MAXN];

template <typename _Tp>
inline _Tp read(_Tp &x) {
    char ch = getchar( ); _Tp f = 0; x = 0;
    while (!isdigit(ch)) { if (ch == '-') f = -1; ch = getchar( ); }
    while (isdigit(ch)) { x = x * 10 + ch - '0'; ch = getchar( ); }
    return x * f;
}

void Init(int u) {
    scanf("%d%d", &t[u].t, &t[u].p);
    t[u].t <<= 1;
    if (!t[u].p) Init(ls), Init(rs);
}

void Dfs(int u) {
    if (t[u].p) {
        for (int i = t[u].t; i < S; ++ i) 
            dp[u][i] = min((i - t[u].t) / 5, t[u].p);
        return ;
    }
    Dfs(ls), Dfs(rs);
    for (int i = 1; i < S; ++ i) 
        for (int j = 0; j <= i - t[u].t; ++ j) 
            dp[u][i] = max(dp[u][i], dp[ls][j] + dp[rs][i - t[u].t - j]);
}

int main( ) {
    read(S);
    Init(1);
    Dfs(1);
    printf("%d\n", dp[1][S - 1]);
    return 0;
}

[DP總結]樹形DP