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