用线段树维护树的直径

目的

  有时候我们需要快速回答一棵子树的直径,或者去掉一棵子树后形成的树的直径。普通的找直径方法是两遍 bfs,时间 $O(n)$,这里的方法用 $O(\log n)$ 的时间回答。

操作

首先

  我们做出一棵树的 dfs 序,然后以 dfs 序为轴建立线段树,每个区间维护直径 $len$,以及直径的两个端点 $x$ 和 $y$。
  会有这么一个问题:你按线段树划分区间,那一个区间内的点可能不连通啊!!!其实没问题的,因为我们最后询问的是一棵(子)树,意思是我们询问的东西肯定是连通的。所以操作时候不联通你就当它连通就好啦。
  还会有这么一个问题:直径可能不止一条啊!!!随便记录一条即可,下文解释。

最关键是这个合并

  区间内只有 1 个点的时候 $len=0$,$x,y$ 等于自己。
  现在考虑区间的合并。左区间有两个直径端点,右区间也有两个直径端点,这四个点中的最远点对,就是新区间的直径。
  注意我们这里用的距离是原树的距离(已经说过我们强行让一个区间的点是连通的了)。

  简单证明一下。
  我们看作是 $x$ 所在的连通块通过边 $(x,y)$ 连向 $y$ 所在的连通块。
  若新直径不经过 $(x,y)$ ,则就是原来的两条直径取 $\max$。
  若新直径经过 $(x,y)$ ,就要考虑 $x$ 延伸到哪儿、$y$ 延伸到哪儿了。由直径的定义可知,$x$ 能走到的最远点之一是 $x$ 所在连通块直径的端点,$y$ 同理。因此这时新直径的两个端点都是旧直径的端点。

  (这个证明也适用于增量法求树的直径,即我给一棵树加一个新点,那么新直径必有一端点是旧直径的端点)
  (注意只能是树,普通图没有这些性质)

所以

  有了这个神奇的合并操作,我们就可以求树中任意一个联通块(子树或是去掉一个子树什么的)的直径啦!

注意事项

  我们求点对距离时会用到 lca,然而线段树已经有一个 $\log$ 了,如果碰到题目要卡两个 $\log$,就要用 rmq 求 lca。

例题

例题1 例题2