目录

• 1. 前言
• 2. 详解
  • 2.1 定义
  • 2.2 求法
    • 2.2.1 DFS 求解
    • 2.2.2 树形 DP 求解
  • 2.3 代码
• 3. 总结

1. 前言

树的直径是树的一个小板块，但是有着重要的应用。

前置知识：树的基础知识。

2. 详解

例题：SP1437 PT07Z - Longest path in a tree

2.1 定义

树的直径：一棵树上最长的路径叫做树的直径。

比如下面这棵树，带有边权 1 的路径就是树的直径。

需要注意的是，这棵树的直径不止一条，但是一般情况下我们只取其中一条叫做这棵树的直径。

2.2 求法

那么怎么求树的直径呢？

这里有两种求法：DFS 与树形 DP。

2.2.1 DFS 求解

该算法的大致步骤如下：

• 首先随便取一个点，做一遍 DFS，求出这个点能够到达的最远点。
• 然后从这个点再次 DFS，求出这个点能够到达的最远点。
• 求出来的两个点之间的路径就是树的直径。

步骤简明易懂，那么这个算法为什么是正确的呢？

下面证明假设边权大于 0。

采用反证法：

假设图中还存在一条比我们求出来的路径更长的路径，那么这条路径就是树的直径。

设我们求出的路径为 \(AB\)，真正的直径为 \(CD\)。

分为两种情况：

1. 直径与我们求出的路径相交或者部分重合。

那么根据上述算法，我们在第一次找到点 \(A\) 的时候必有 \(AE>CE\)。

同理，有 \(AE+EF+FB>AE+EF+FD\)。

考虑将 \(AE>CE\) 带入上述不等式，有 \(AE+EF+FB>CE+EF+FD\)，这与 \(CD\) 是直径不符，所以上述情况不成立。

2. 直径与我们求出的路径不重合。

则 \(CF+FD>CF+EF+EB\)，因此 \(FD>EF+EB\)，则有 \(FD>EB\)。

然而根据我们的算法步骤，\(EB>EF+FD\)，则有 \(EB>FD\)。

出现了矛盾，因此原假设错误。

综上所述，\(AB\) 必须是直径。

那么为什么说这个证明必须有边权大于 0 呢？

这是因为如果边权小于 0，那么上述所有证明的 \(a>b+c\rightarrow a>c\) 就都不一定成立了。

同时这也揭示了 DFS 求树的直径必须有所有边权大于 0。

DFS 的优点：可以记录树的直径都有哪些点，也就是可以完整记录路径。

DFS 的缺点：不能处理有负边权的树。

2.2.2 树形 DP 求解

这个需要有一定树形 DP 基础，当然没有基础也没有问题。

考虑设 \(f1_i,f2_i\) 分别表示第 \(i\) 个节点到叶子节点路径的最大值与次大值。

那么设计状态转移方程：

设当前的点为 \(u\)，当前枚举的儿子节点为 \(v\)，边权为 \(val\)，那么有如下方程：

• 如果 \(f1_v+val>f1_u\)，那么 \(f2_u\leftarrow f1_u,f1_u\leftarrow f1_v+val\)。
• 否则，\(f2_u=\max\{f2_u,f1_v+val\}\)。

转移方程还是简明易懂的吧qwq

最后的答案就是 \(\max\{f1_i+f2_i|i \in [1,n]\}\)。

那么这个做法很明显，因为是 DP 思想，可以处理具有负边权的树。

树形 DP 的优点：可以处理具有负边权的树。

树形 DP 的缺点：不能记录路径。

2.3 代码

两种做法的代码如下（Solve_dfs 是 DFS 做法，Solve_DP 是树形 DP 做法）：

/*
========= Plozia =========
    Author:Plozia
    Problem:SP1437 PT07Z - Longest path in a tree
    Date:2021/4/27
    Another:树的直径模板题
========= Plozia =========
*/

#include <bits/stdc++.h>

typedef long long LL;
const int MAXN = 1e4 + 10;
int n, Head[MAXN], cnt_Edge = 1, f[MAXN], ans, root, f1[MAXN], f2[MAXN];
struct node { int Next, to, val; } Edge[MAXN << 1];

int read()
{
    int sum = 0, fh = 1; char ch = getchar();
    for (; ch < '0' || ch > '9'; ch = getchar()) fh -= (ch == '-') << 1;
    for (; ch >= '0' && ch <= '9'; ch = getchar()) sum = (sum << 3) + (sum << 1) + (ch ^ 48);
    return sum * fh;
}
int Max(int fir, int sec) { return (fir > sec) ? fir : sec; }
void add_Edge(int x, int y, int z) { ++cnt_Edge; Edge[cnt_Edge] = (node){ Head[x], y, z }; Head[x] = cnt_Edge; }

void dfs(int now, int father)
{
    if (f[now] > ans) { ans = f[now]; root = now; }
    for (int i = Head[now]; i; i = Edge[i].Next)
    {
        int u = Edge[i].to;
        if (u == father) continue ;
        f[u] = f[now] + Edge[i].val;
        dfs(u, now);
    }
}

void Solve_DFS()
{
    root = 1;
    f[root] = 0; dfs(root, 0); ans = 0;
    f[root] = 0; dfs(root, 0);
    printf("%d\n", ans);
}

void DP(int now, int father)
{
    for (int i = Head[now]; i; i = Edge[i].Next)
    {
        int u = Edge[i].to;
        if (u == father) continue ;
        DP(u, now);
        if (f1[u] + Edge[i].val > f1[now]) { f2[now] = f1[now]; f1[now] = f1[u] + Edge[i].val; }
        else { f2[now] = Max(f2[now], f1[u] + Edge[i].val); }
    }
}

void Solve_DP()
{
    DP(1, 0);
    for (int i = 1; i <= n; ++i) ans = Max(ans, f1[i] + f2[i]);
    printf("%d\n", ans);
}

int main()
{
    n = read();
    for (int i = 1; i < n; ++i)
    {
        int u = read(), v = read();
        add_Edge(u, v, 1); add_Edge(v, u, 1);
    }
    // Solve_DFS(); return 0;
    Solve_DP(); return 0;
}

3. 总结

树的直径：树上最长路径。

求法：

• 两遍 DFS 求解。
  • 优点：可以记录路径。
  • 缺点：不能处理负边权。
• 树形 DP 求解。
  • 优点：可以处理负边权。
  • 缺点：不能处理路径。

标签：f1,图论,专题,int,笔记,Edge,直径,now,DP
来源： https://www.cnblogs.com/Plozia/p/16155839.html