Online Judge：Codeforces629E，Luogu-CF629E
Label：树上计数，分类讨论，换根
题目描述
给出一棵n个节点的树。有m个询问，每一个询问包含两个数a、b，我们可以对任意两个不相连的点连一条无向边，并且使得加上这条边后a，b处在一个环内。对于每一个询问，求这样的环的期望长度。
\(2<=n,m<=10^5\)
输入
第一行包括两个整数n，m，分别表示节点数和询问数。
接下来n-1行，每行两个整数u、v表示有一条从u到v的边。
接下来m行，每行两个整数a、b（a≠b），表示一个询问。
输出
对于每一个询问，输出满足条件的环的期望长度。答案保留6位小数。
样例
Input#1
4 3 2 4 4 1 3 2 3 1 2 3 4 1
Output#1
4.00000000 3.00000000 3.00000000
Input#2
3 3 1 2 1 3 1 2 1 3 2 3
Output#2
2.50000000 2.50000000 3.00000000
题解
题目求的是期望，其实就是求两个东西，\(all=\)能形成环的个数，\(ans=\)所有环的长度总和，两者相除得到答案。
转化为树上的计数问题。接下来分两种情况讨论。
先交代下面会用到的数组，及其意义。
\(sz[x]\)：以x为根的子树所含节点的个数。
\(dep[x]\)：节点深度。
\(fa[x][i=0..17]\)：x向上第\(2^i\)个祖先（供后面倍增跳LCA用）。
\(sum[x]\)：\(= ∑_{son∈x}dep[son]\)，也就是子树中所有点的深度之和。
\(tot[x]\)：后面再说。
1.(u,v)不是祖先关系
发现只能将u,v子树里的点连起来。
所以，能形成环的个数\(all=sz[u]*sz[v]\)，其中\(sz\)数组表示子树所含节点个数。
所有环的长度之和：
\[
ans+=sz[u]*(sum[v]-dep[v]*sz[v]);\\ans+=sz[v]*(sum[u]-dep[u]*sz[u]);\\ans+=all*(dep[u]+dep[v]-2*dep[lca]+1);(lca是指u,v的LCA)
\]
根据图很容易理解。
2.(u,v)是祖先关系
特殊点说明：将深度小的点作为u。son是u的儿子中通向v的那一个。v是深度较大的那一个。
如何求son？倍增向上跳\(dep[v]-dep[u]-1\)步，可以在O(logN)时间内得到。
看下面这幅图，我们只能在v的子树中选一个点，在蓝色部分（除子树son的点）选一个点，将两者相连，才能形成环。
所以，环的个数\(all=sz[v]*(sz[1]-sz[son])\)。
如何求环的长度总和？分成下面几部分分步求解。
这里换个元方便下面表示\(sz1=sz[v]\)，\(sz2=(sz[1]-sz[son])\)。\(sz1\)就是粉色部分的点数，\(sz2\)就是蓝色部分的点数。
part1:
\(ans+=(sum[v]-dep[v]*sz1)*sz2+(dep[v]-dep[u])*all\)
part2:
\(ans+=1*all\)
part3：
这个东西与前面几个相比不太好分析。
求树上两点(a,b)的距离就是\(dep[a]+dep[b]-2*dep[LCA(a,b)]\)。
全部加起来，那么现在我们求的就是下面这东西。
\[
dep[u]*sz2+∑_{x∈bluepart}(dep[x]-2*dep[LCA(u,x)])
\]
前面那个可以O(1)算出。就是后面那一坨如何在可行的时间内弄出？
考虑预处理一个数组\(tot[son]\)，表示，若它的父亲节点为u，则\(tot[son]=∑_{x∈bluepart}(dep[x]-2*dep[LCA(u,x)])\)也就是上面式子中后面的部分。
dfs一遍，完成\(tot\)数组的预处理，转移如下。画个图还是很好理解的，当弄到x时，f就是上式的lca。
void dfs2(int x){
int f=fa[x][0];
if(f){
tot[x]=tot[f]+sum[f]-sum[x];
tot[x]-=2ll*(sz[f]-sz[x])*dep[f];
}
for(int i=head[x];i;i=e[i].nxt)if(e[i].to!=fa[x][0])dfs2(e[i].to);
}
综上分两种情况讨论，时间复杂度为\(O(N+M)\)。
完整代码如下：
//原题CF629E
#include<bits/stdc++.h>
#define int long long
using namespace std;
typedef long long ll;
const int N=1e5+10;
inline int read(){
int x=0;char c=getchar();
while(c<'0'||c>'9')c=getchar();
while(c>='0'&&c<='9')x=(x<<3)+(x<<1)+(c^48),c=getchar();
return x;
}
struct edge{
int to,nxt;
}e[N<<1];
int head[N],ecnt;
inline void link(int u,int v){
e[++ecnt].to=v,e[ecnt].nxt=head[u];
head[u]=ecnt;
}
int n,m;
ll sum[N],tot[N];
int sz[N],dep[N],fa[N][18];
ll gcd(ll a,ll b){return b==0?a:gcd(b,a%b);}
void dfs(int x,int f){
fa[x][0]=f,dep[x]=dep[f]+1,sum[x]=dep[x];
sz[x]=1;
for(int i=head[x];i;i=e[i].nxt){
int y=e[i].to;if(y==f)continue;
dfs(y,x);
sz[x]+=sz[y];
sum[x]+=sum[y];
}
}
void dfs2(int x){
int f=fa[x][0];
if(f){
tot[x]=tot[f]+sum[f]-sum[x];
tot[x]-=2ll*(sz[f]-sz[x])*dep[f];
}
for(int i=head[x];i;i=e[i].nxt)if(e[i].to!=fa[x][0])dfs2(e[i].to);
}
inline int jump(int x,int stp){
for(int i=0;i<=17;i++)if(stp&(1<<i))x=fa[x][i];
return x;
}
inline int LCA(int x,int y){
if(dep[x]<dep[y])swap(x,y);
int stp=dep[x]-dep[y];
x=jump(x,stp);
if(x==y)return x;
for(int i=17;i>=0;i--)if(fa[x][i]!=fa[y][i])x=fa[x][i],y=fa[y][i];
return fa[x][0];
}
signed main(){
n=read(),m=read();
for(int i=1;i<n;i++){
int u=read(),v=read();
link(u,v),link(v,u);
}
dfs(1,0),dfs2(1);
for(int j=1;j<=17;j++)for(int i=1;i<=n;i++)fa[i][j]=fa[fa[i][j-1]][j-1];
while(m--){
int u=read(),v=read();
if(dep[u]>dep[v])swap(u,v);
int lca=LCA(u,v);
ll all,ans;
if(lca==u){
int son=jump(v,dep[v]-dep[u]-1);
int sz1=sz[v],sz2=sz[1]-sz[son];
all=1ll*sz1*sz2,ans=0;
ans+=1ll*(sum[v]-dep[v]*sz1)*sz2;
ans+=1ll*(tot[son]+sz2*dep[u])*sz1;
ans+=1ll*all*(dep[v]-dep[u]+1);
}
else{
all=1ll*sz[u]*sz[v],ans=0;
ans+=1ll*sz[u]*(sum[v]-dep[v]*sz[v]);
ans+=1ll*sz[v]*(sum[u]-dep[u]*sz[u]);
ans+=1ll*all*(dep[u]+dep[v]-2*dep[lca]+1);
}
//ll g=gcd(all,ans);
//printf("%lld/%lld\n",ans/g,all/g);
printf("%.7f\n",1.0*ans/all);
}
}