$\newcommand{\O}{\mathrm{O}}$

静的 RMQ(更新のない区間最小値クエリ) に $\O (1)$ で答えるデータ構造を $\O (n)$ 時間で構築するアルゴリズム. ブロック分割をしている影響で要素数が $2$ 以上を仮定しています.
以下の実装では実測はあまり速くなく, SparseTable とほぼ同じ.
元論文は "Fast algorithms for finding nearest common ancestors" [Harel, Tarjan 1984], "The LCA Problem Revisited" [Bender, Colton 2000]
このスライドの説明を参考に実装した
(関数)
build$(arg1, max \_ query)$ : 配列 $arg1$ についてのデータ構造を構築する($max \_ query$=true なら最大値を返す)
query$(st, ed)$ : (最小(大)値を達成するインデックス, 値) を返す
時間計算量: 構築 $\O (n)$, クエリ $\O (1)$
template<typename T> class RMQ
{
private:
struct RMQNode
{
int id;
T val; //インデックス, 値
int par, left, right; //親, 左の子, 右の子
};
std::vector<RMQNode> tree;
std::vector<T> arr;
std::vector<int> euler_tour, depth, diff, visit_id;
int node_size, root, arr_len;
bool max_query;
std::vector<int> block_arr, diff_bit; //各ブロックで深さが最小になるようなインデックス 各ブロックのdiffの情報をビットに詰めたもの
std::vector<std::vector<int> > sparse_table; //i番目から長さ2^kの区間に含まれるdepthのうち最小のインデックス
std::vector<std::vector<std::vector<int> > > table_lookup;
int block_size, block_rem, block_cnt, log_block_cnt;
void make_cartesian_tree();
void make_euler_tour(int cur_node, int& id, int cur_depth);
void make_block_arr();
void make_sparse_table();
void make_diff_bit();
void make_table_lookup();
std::pair<int, T> PM_RMQ(int st, int ed);
public:
void build(std::vector<T>& arg1, bool max_query_=false); //trueのときrange_max_queryを表す
std::pair<int, T> query(int st, int ed); // (最小(大)値を達成するインデックス, 値)
};
template<typename T>
void RMQ<T>::build(std::vector<T>& arg1, bool max_query_){
node_size = (int)arg1.size();
assert(node_size >= 2);
arr.resize(node_size, 0);
max_query = max_query_;
if(max_query){
for(int i = 0; i < node_size; i++){
arr[i] = -arg1[i];
}
}else{
for(int i = 0; i < node_size; i++){
arr[i] = arg1[i];
}
}
make_cartesian_tree();
euler_tour.resize(2 * node_size - 1, -1), depth.resize(2 * node_size - 1, -1);
diff.resize(2 * node_size - 2, -1), visit_id.resize(node_size, -1);
int val = 0;
make_euler_tour(root, val, 0);
for(int i = 0;i < 2 * node_size - 2; i++){
diff[i] = depth[i+1] - depth[i];
}
//±RMQの実装
arr_len = 2 * node_size - 1;
make_block_arr();
make_sparse_table();
make_diff_bit();
make_table_lookup();
}
template<typename T>
void RMQ<T>::make_cartesian_tree()
{
tree.resize(node_size);
for(int i = 0; i < node_size; i++){
tree[i] = (RMQNode){i, arr[i], -1, -1, -1};
}
std::stack<std::pair<int, T> > st; //インデックス,値
st.push(std::make_pair(0,arr[0]));
root = 0;
for(int i = 1; i < node_size ; i++){
int buff;
while(1){
//iが根となる場合
if(st.empty()){
st.push(std::make_pair(i, arr[i]));
tree[i].left = buff;
tree[buff].par = i;
root = i;
break;
}
std::pair<int, T> top = st.top();
if(top.second <= arr[i]){
tree[i].par = top.first; //iの親を変更
int nd = tree[top.first].right; //iの親の右下のノード
//iの子となるものが存在する場合
if(nd != -1){
tree[i].left = nd; //iの親の右下のノードをiの左の子とする
tree[nd].par = i; //iの親の右下のノードの親をiとする
}
tree[top.first].right = i; //iの親の右下の子をiとする
st.push(std::make_pair(i,arr[i]));
break;
}
buff = top.first; //最後にpopされたものを暗記
st.pop();
}
}
}
template<typename T>
void RMQ<T>::make_euler_tour(int cur_node, int& id, int cur_depth)
{
visit_id[cur_node] = id;
euler_tour[id] = cur_node;
depth[id++] = cur_depth;
if(tree[cur_node].left >= 0){
make_euler_tour(tree[cur_node].left, id, cur_depth+1);
euler_tour[id] = cur_node;
depth[id++] = cur_depth;
}
if(tree[cur_node].right >= 0){
make_euler_tour(tree[cur_node].right, id, cur_depth+1);
euler_tour[id] = cur_node;
depth[id++] = cur_depth;
}
}
template<typename T>
void RMQ<T>::make_block_arr()
{
block_size = ceil(log2(arr_len)/2);
block_cnt = (arr_len - 1) / block_size + 1;
block_rem = arr_len % block_size;
log_block_cnt = ceil(log2(block_cnt)) + 1;
block_arr.resize(block_cnt);
for(int i = 0; i < block_cnt; i++){
int mn = numeric_limits<int>::max();
int mn_id = -1;
for(int j = 0; j < block_size; j++){
int now_id = i * block_size + j;
if(now_id >= arr_len){
break;
}
if(depth[now_id] < mn){
mn = depth[now_id];
mn_id = now_id;
}
}
block_arr[i] = mn_id;
}
}
template<typename T>
void RMQ<T>::make_sparse_table()
{
sparse_table.resize(block_cnt, std::vector<int>(log_block_cnt, -1));
for(int i = 0; i < block_cnt; i++){
sparse_table[i][0] = block_arr[i];
}
for(int j = 0; j < log_block_cnt - 1; j++){
for(int i = 0; i < block_cnt; i++){
if(i + (1 << j) >= block_cnt){
sparse_table[i][j + 1] = sparse_table[i][j];
}else{
if(depth[sparse_table[i][j]] <= depth[sparse_table[i + (1 << j)][j]]){
sparse_table[i][j + 1] = sparse_table[i][j];
}else{
sparse_table[i][j + 1] = sparse_table[i + (1 << j)][j];
}
}
}
}
}
template<typename T>
void RMQ<T>::make_diff_bit()
{
diff_bit.resize(block_cnt, -1);
for(int i = 0; i < block_cnt; i++){
int num = 0;
for(int j = 0; j < block_size - 1; j++){
int now_id = i * block_size + j;
if(now_id >= arr_len){
break;
}
if(diff[now_id] > 0){
num += (1 << (block_size - j - 2));
}
}
diff_bit[i] = num;
}
}
template<typename T>
void RMQ<T>::make_table_lookup()
{
table_lookup.resize((1 << block_size), std::vector<std::vector<int> >(block_size + 1, std::vector<int>(block_size + 1, 0)));
//0は減少,1は増加
for(int i = 0; i < (1 << block_size); i++){
std::vector<int> vec(block_size - 1, -1);
for(int j = 0; j < block_size; j++){
if(i & (1 << (block_size - j - 2))){
vec[j] = 1;
}
}
for(int j = 0; j < block_size; j++){
int nw = 0, mn = 0, mn_id = j;
table_lookup[i][j][j+1] = j;
for(int k = j + 2; k <= block_size; k++){
nw += vec[k-2];
if(nw < mn){
mn = nw;
mn_id = k-1;
}
table_lookup[i][j][k] = mn_id;
}
}
}
}
//インデックスと値のpair
template<typename T>
std::pair<int, T> RMQ<T>::PM_RMQ(int st, int ed)
{
int st_block_id = (st == 0)?0:((st - 1) / block_size + 1); //ブロック区間の開始
int ed_block_id = ed / block_size - 1; //ブロック区間の終了
int st_id = st / block_size;
int ed_id = ed / block_size;
int st_rem = st % block_size;
int ed_rem = ed % block_size;
if(ed_block_id - st_block_id < 0){ //間にブロック区間がひとつもない場合
if(st_id == ed_id){ //同じブロック区間に存在する場合
int id_kari = block_size * st_id + table_lookup[diff_bit[st_id]][st_rem][ed_rem + 1];
return std::make_pair(euler_tour[id_kari], arr[euler_tour[id_kari]]);
}else{
int cand1 = block_size * st_id + table_lookup[diff_bit[st_id]][st_rem][block_size];
int cand2 = block_size * ed_id + table_lookup[diff_bit[ed_id]][0][ed_rem + 1];
if(depth[cand1] <= depth[cand2]){
return std::make_pair(euler_tour[cand1], arr[euler_tour[cand1]]);
}else{
return std::make_pair(euler_tour[cand2], arr[euler_tour[cand2]]);
}
}
}else{ //間にブロックっ区間が存在する場合
int num = floor(log2(ed_block_id - st_block_id + 1));
int cand1 = sparse_table[st_block_id][num];
int cand2 = sparse_table[ed_block_id - (1 << num) + 1][num];
int c1,c2;
if(depth[cand1] <= depth[cand2]){
c1 = cand1;
}else{
c1 = cand2;
}
int cand3 = block_size * st_id + table_lookup[diff_bit[st_id]][st_rem][block_size];
int cand4 = block_size * ed_id + table_lookup[diff_bit[ed_id]][0][ed_rem + 1];
if(depth[cand3] <= depth[cand4]){
c2 = cand3;
}else{
c2 = cand4;
}
if(depth[c1] <= depth[c2]){
return std::make_pair(euler_tour[c1], arr[euler_tour[c1]]);
}else{
return std::make_pair(euler_tour[c2], arr[euler_tour[c2]]);
}
}
}
template<typename T>
std::pair<int, T> RMQ<T>::query(int st, int ed)
{
assert(st < ed);
std::pair<int, T> res = PM_RMQ(std::min(visit_id[st], visit_id[ed-1]), std::max(visit_id[st], visit_id[ed-1]));
if(max_query) res.second = -res.second;
return res;
}
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