Please subscribe to the official Codeforces channel in Telegram via the link https://t.me/codeforces_official. ×

Editorial for VK Cup 2015 — Finals

Revision en11, by Zlobober, 2015-07-30 22:48:06

Thanks everybody for participating. Tasks follow in the order of the original contest (the mirror order is given in the brackets).

The editorial is being translated right now. The Russian text is in italic.

## 562A - Logistical Questions

(in mirror: 566C - Logistical Questions)

Let's think about formal statement of the problem. We are given a tricky definition of a distance on the tre: ρ(a, b) = dist(a, b)1.5. Each vertex has its weight wi. We need to choose a place x for a competition such that the sum of distances from all vertices of the tree with their weights is minimum possible: f(x) = w1ρ(1, x) + w2ρ(x, 2) + ... + wnρ(x, n).

Let's understand how function f(x) works. Allow yourself to put point x not only in vertices of the tree, but also in any point inside each edge by naturally expanding the distance definition (for example, the middle of the edge of length 4 km is located 2 km from both ends of this edge).

Fact 1. For any path in the tree the function ρ(i, x) is convex. Actually, the function dist(i, x) plot on each path [a, b] looks like the plot of a function abs(x): it first decreases linearly to the minimum: the closes to i point on a segment [a, b], and then increases linearly. Taking a composition with a convex increasing function t1.5, as we can see, we get the convex function on any path in the tree. Here by function on the path we understand usual function of a real variable x that is identified with its location on path x: dist(a, x). So, each of the summands in the definition of f(x) is convex on any path in the tree, so f(x) is also convex on any path in the tree.

Let's call convex functions on any path in the tree convex on tree. Let's formulate few facts about convex functions on trees.

Fact 2. A convex function on tree can't have two different local minimums. Indeed, otherwise the path between those minimums contradicts the property of being convex on any path in the tree.

So, any convex function f(x) on the tree has the only local minimum that coincides with its global minimum.

Fact 3. From each vertex v there exists no more than one edge in which direction the function f decreases. Indeed, otherwise the path connecting two edges of function decrease would contradict the definition of a convex function in a point v.

Let's call such edge that function decreases along this edge to be a gradient of function f in point x. By using facts 2 and 3 we see that in each vertex there is either a uniquely defined gradient or the vertex is a global minimum.

Suppose we are able to efficiently find a gradient direction by using some algorithm for a given vertex v. If our tree was a bamboo then the task would be a usual convex function minimization that is efficiently solved by a binary search, i. e. dichotomy. We need some equivalent of a dichotomy for a tree. What is it?

Let's use centroid decmoposition! Indeed, let's take a tree center (i. e. such vertex that sizes of all its subtrees are no larger than n / 2). By using fact 3 we may consider the gradient of f in the center of the tree. First of all, there may be no gradient in this point meaning that we already found an optimum. Otherwise we know that global minimum is located in a subtree in direction of gradient, so all remaining subtrees and the center can be excluded from our consideration. So, by running one gradient calculation we reduced the number of vertices in a considered part of a tree twice.

So, in runs of gradient calculation we almost solved the problem. Let's understand where exactly the answer is located. Note that the global optimum will most probably be located inside some edge. It is easy to see that the optimum vertex will be one of the vertices incident to that edge, or more specifically, one of the last two considered vertices by our algorithms. Which exactly can be determined by calculating the exact answer for them and choosing the most optimal among them.

Now let's calculate the gradient direction in a vertex v. Fix a subtree ui of a vertex v. Consider a derivative of all summands from that subtree when we move into that subtree. Denote this derivative as deri. Then, as we can see, the derivative of f(x) while moving from x = v in direction of subtree ui is  - der1 - der2 - ... - deri - 1 + deri - deri + 1 - ... - derk where k is a degree of vertex v. So, by running one DFS from vertex v we may calculate all values deri, and so we may find a gradient direction by applying the formula above and considering a direction with negative derivative.

Finally, we got a solution in .

==== UNTRANSLATED SECTION, PLEASE WAIT A FEW MINUTES... ====

Kitten to take your attention :)

## 562B - Clique in the Divisibility Graph

(в трансляции: 566F - Clique in the Divisibility Graph)

Упорядочим числа в искомой клике по возрастанию. Заметим, что чтобы множество X = {x1, ..., xk} образовывало клику, необходимо и достаточно, чтобы для (1 ≤ i ≤ k - 1). Таким образом, нетрудно сформулировать задачу динамического программирования: D[x] есть длина наибольшей подходящей возрастающей подпоследовательности, заканчивающейся в числе x. Формула пересчёта: по всем x, лежащим в A.

Если оформлять задачу динамического программирования в виде динамики "вперёд", то легко оценить сложность получившегося решения: в худшем случае количество переходов есть .

## 562C - Restoring Map

(в трансляции: 566E - Restoring Map)

Назовём окрестностью вершины — множество, состоящее из вершины и всех близких к ней вершин. Таким образом, нам известен набор окрестностей всех вершин в некотором произвольном порядке, причём каждая окрестность также перечислена в произвольном порядке.

Назовём вершину дерева внутренней, если она не является листом дерева. Аналогично, назовём ребро дерева внутренним, если оно соединяет две внутренних вершины. Заметим, что если две окрестности пересекаются ровно по двум элементам a и b, то a и b обязаны быть соединены ребром, причём ребро (a, b) является внутренним. Наоборот, любое внутреннее ребро (a, b) может быть найдено как пересечение каких-то двух окрестностей С и D двух вершин c и d, таких что в дереве есть путь c – a – b – d. Таким образом, мы можем найти все внутренние рёбра, рассмотрев попарные пересечения всех окрестностей. Это можно сделать за время порядка n3 / 2 наивно, либо в 32 раза быстрее, воспользовавшись битовым сжатием.

Заметим, что зная все внутренние рёбра, мы можем узнать все внутренние вершины, за исключением случая, когда граф представляет из себя звезду (т. е. вершину, к которой подцеплены все остальные). Случай звезды нужно разобрать отдельно.

Теперь мы знаем все листы, все внутренние вершины и структуру дерева на внутренних вершинах. Осталось только определить для каджого листа, к какой внутренней вершине он подцеплен. Это можно сделать следующим образом. Рассмотрим лист l. Рассмотрим все окрестности, его содержащие. Рассмотрим минимальную по включению окрестность — утверждается, что это есть окрестность L, соответствующая самому листу l. Рассмотрим все внутренние вершины в L. Их не может быть меньше двух. Если их три или более, то мы можем однозначно определить, к какой из них надо подцепить l — это должна быть та вершина из них, которая имеет степень внутри L больше единицы. Если же их ровно две (скажем, a и b), то определить, к кому из них надо подцепить l, несколько сложнее.

Утверждение: l должна быть подсоединена к той из двух вершин a и b, у которой степень по всем внутренним рёбрам — ровно один. Действительно, если бы l была подсоединена к вершине со внутренней степнью два или более, мы бы рассмотрели этот случай ранее.

Если же у обоих вершин a и b внутренняя степень — 1, то наш граф имеет вид гантели (ребро (a, b), и все остальные вершины, подцепленные либо за a, либо за b). Такой случай также придётся разобрать отдельно.

Разбор двух специальных случаев оставляется пытливому читателю как несложное упражнение.

## 562D - Restructuring Company

(в трансляции: 566D - Restructuring Company)

Эта задача допускает множество решений с разными асимптотиками. Опишем решение за .

Рассмотрим сначала задачу, в которой присутствуют только запросы второго и третьего типа. Её можно решить следующим образом. Отметим всех работников в ряд на прямой от 1 до n. Заметим, что отделы представляют собой отрезки из подряд идущих работников. Будем поддерживать эти отрезки в любой логарифмической структуре данных, например в сбалансированном дереве поиска (std::set или TreeSet). Объединяя все отделы с позиции x по позицию y, вытаскиваем все отрезки, попавшие в диапазон [x, y] и сливаем их. Для ответа на запрос третьего типа проверяем, лежат ли работники x и y в одном отрезке. Таким образом, мы получаем решение более простой задачи за на запрос.

Добавляя запросы первого типа мы на самом деле разрешаем некоторым отрезкам на прямой относиться к одному и тому же отделу. Добавим в решение систему непересекающихся множеств, которая будет поддерживать классы эквивалентности на отрезках. Теперь запросы первого типа можно реализовать как вызов merge в системе непересекающихся множеств от номеров отделов, к которым принадлежат сотрудники x и y. Также в запросах второго типа надо не забывать вызывать merge от всех удаляемых отрезков.

Получилось решение за время .

## 562E - Max and Min

(в трансляции: 566G - Max and Min)

Сформулируем задачу в геометрической интерпретации. У Макса и у Мина есть набор векторов из первой координатной четверти на плоскости и точка (x, y). За свой ход Макс может прибавить любой из имеющихся у него векторов к (x, y), а Мин — вычесть. Мин хочет добиться, чтобы точка (x, y) оказалась строго в третьей координатной четверти, Макс пытается ему помешать. Обозначим вектора Макса за Mxi, вектора Мина за Mnj.

Сформулируем очевидное достаточное условие для Макса, чтобы тот мог выиграть. Рассмотрим некоторое неотрицательное направление на плоскости, т. е. вектор (a, b), такой что a, b ≥ 0, при этом хотя бы одно из чисел a, b — не ноль. Тогда если среди ходов Макса есть такой вектор Mxi, что он не короче всех векторов Мина Mnj вдоль направления (a, b), то Макс может гарантировать себе победу. Здесь под длиной вектора v вдоль направления (a, b) подразумевается скалярное произведение вектора v на вектор (a, b).

Действительно, пусть Макс постоянно ходит в этот вектор Mxi. Тогда за пару ходов Макса и Мина точка (x, y) сдвинется на вектор Mxi - Mnj для некоторого j, а значит её сдвиг вдоль вектора (a, b) составит ((Mxi - Mnj), (a, b)) = (Mxi, (a, b)) - (Mnj, (a, b)) ≥ 0. Значит, так как исходно скалярное произведение ((x, y), (a, b)) = ax + by > 0, то и в любой момент времени ax + by будет строго положительно. А значит, Мин ни в какой момент времени не сможет добиться чтобы x и y стали оба отрицательными (так как это значило бы, что ax + by < 0).

Теперь сформулируем некоторый вариант обратного утверждения. Пусть вектор Макса Mxi лежит строго внутри треугольника, образованного векторами Мина Mnj и Mnk. При этом, вектор Mxi не может лежать на отрезке [Mnj, Mnk], но может быть коллинеарен одному из векторов Mnj и Mnk.

Заметим, что раз Mxi лежит строго внутри треугольника, натянутого на Mnj и Mnk, то его можно продлить до вектора Mx'i, конец которого лежит на отрезке [Mnj, Mnk]. В силу линейной зависимости Mx'i и Mnj, Mnk, имеем, что Mx'i = (p / r)Mnj + (q / r)Mnk, где p + q = r и p, q, r — целые неотрицательные числа. Это эквивалентно rMx'i = pMnj + qMnk, а значит, если на каждые r ходов Макса в Mxi мы будем отвечать p ходами Мина в Mnj и q ходами Мина в Mnk, то суммарный сдвиг составит  - pMnj - qMnk + rMxi =  - rMx'i + rMxi =  - r(Mx'i - Mxi), то есть вектор со строго отрицательными компонентами. Таким образом, мы можем мажорировать данный ход Макса, т. е. он ему невыгоден.

Естественным образом возникает желание построить выпуклую оболочку на ходах Мина и посмотреть на все ходы Макса относительно неё. Если ход Макса лежит внутри выпуклой оболочки ходов Мина, то из предыдущего утверждения этот ход Максу невыгоден. В противном случае, возможно два варианта.

Либо этот ход пересекает выпуклую оболочку, но выходит из неё наружу — в таком случае этот ход Макса не короче всех ходов Мина в некотором неотрицательном направлении, а значит Макс победил.

Либо же, вектор Макса находится сбоку от выпуклой оболочки ходов Мина. Пусть для определённости вектор Mxi В таком случае, требуется отдельный анализ. Рассмотрим самый верхний из векторов Мина. Если вектор Mxi не ниже самого верхнего из ходов Макса Mxj, то по первому утверждению Макс может выиграть, ходя исключительно в этот вектор. В противном же случае, как несложно видеть, разность Mni - Mxj — это вектор со строго отрицательными компонентами, ходя в который мы можем мажорировать соответствующий вектор Макса.

Значит, полная версия критерия победы Мина выглядит следующим образом. Рассмотрим выпуклую оболочку ходов Мина и продлим её от самой верхней точки влево и от самой правой точки вниз. Если все ходы Макса попадают строго внутрь образованной фигуры, то Мин побеждает. Иначе побеждает Макс.

## 562F - Matching Names

Сформиурем бор из всех имён и псевдонимов. Отметим красным все вершины, соответствующие именам, и синим все вершины, соответствующие всем псевдонимам (одна вершина может быть отмечена несколько раз, в том числе разными цветами). Заметим, что если мы сопоставили имя a и псевдоним b, то качество такого сопоставления может быть выражено как lcp(a, b) = 1 / 2(2 * lcp(a, b)) = 1 / 2(|a| + |b| - (|a| - lcp(a, b)) - (|b| - lcp(a, b))), что представляет собой константу 1 / 2(|a| + |b|), из которой вычитается половина длины пути между a и b по бору. Таким образом, мы должны соединить все красные вершины с синими, минимизировав суммарную длину путей.

Нетрудно видеть, что такая задача решается жадным образом следующей рекурсивной процедурой: если у нас есть вершина v, в поддереве которой x красных вершин и y синих вершин, то мы должны сопоставить min(x, y) красных вершин этого поддерева синим вершинам, а оставшиеся max(x, y) - min(x, y) красных или синих вершин "отдать" на уровень выше. Корректность данного алгоритма легко объясняется следующим соображением. Ориентируем ребро каждого пути по направлению от красной вершины к синей. Если ребро получает две разных ориентации, то два пути, на которых оно лежит, легко "развести", уменьшив их суммарную длину.

Таким образом, получается несложное решение за O(sumlen), где sumlen — суммарная длина всех имён и псевдонимов.

(в трансляции: 566A - Matching Names)

## 562G - Replicating Processes

(в трансляции: 566B - Replicating Processes)

Эту задачу можно решить симулируя процесс реплицирования. Будем к каждому шагу поддерживать список всех репликаций, которые в текущий момент можно применить. Применяем любую репликацию, после чего обновляем список, добавляя/удаляя все подходящие или переставшие быть подходящими репликации со всех затронутых на данном шаге серверов. Список репликаций можно поддерживать в структуре данных "двусвязный список", которая позволяет за O(1) добавлять и удалять элемент в/из множества и вынимаь произвольный элемент множества.

Доказательство корректности этого алгоритма несложно и оставляется как упражнение (впрочем, если будет большое количество желающих, оно появится здесь позднее).

Получается решение за O(n) операций (впрочем, константа, скрытая за O-нотацией весьма немаленькая — один только ввод составляет 12n чисел, да и само решение оперирует по меньшей мере константой 36).

#### History

Revisions

Rev. Lang. By When Δ Comment
en17 Zlobober 2015-07-31 00:14:11 1476
en16 Zlobober 2015-07-31 00:03:21 2448
en15 Zlobober 2015-07-30 23:55:15 8371
ru19 Zlobober 2015-07-30 23:30:29 134
en14 Zlobober 2015-07-30 23:29:46 2420
en13 Zlobober 2015-07-30 23:08:34 5839
en12 Zlobober 2015-07-30 22:55:43 1241
ru18 Zlobober 2015-07-30 22:48:21 19
en11 Zlobober 2015-07-30 22:48:06 19
ru17 Zlobober 2015-07-30 22:47:47 19 (опубликовано)
en10 Zlobober 2015-07-30 22:47:16 4
en9 Zlobober 2015-07-30 22:47:07 138
en8 Zlobober 2015-07-30 22:46:12 66
en7 Zlobober 2015-07-30 22:45:40 9434
en6 Zlobober 2015-07-30 22:23:52 62 Initial revision for English translation
en5 Zlobober 2015-07-30 22:23:00 152 Initial revision for English translation
en4 Zlobober 2015-07-30 22:19:53 21 Initial revision for English translation
en3 Zlobober 2015-07-30 22:19:31 22 Initial revision for English translation
en2 Zlobober 2015-07-30 22:19:06 14 Initial revision for English translation
en1 Zlobober 2015-07-30 22:18:47 16596 Initial revision for English translation
ru16 Zlobober 2015-07-30 22:16:35 216
ru15 Zlobober 2015-07-30 22:15:29 6028
ru14 Zlobober 2015-07-30 21:42:27 3190
ru13 Zlobober 2015-07-30 21:26:10 785
ru12 Zlobober 2015-07-30 21:23:01 14 Мелкая правка: 'text{if}~y,2015-07-30~\vert~x))$' -> 'text{if}~y ~ \vert~x))$'
ru11 Zlobober 2015-07-30 21:22:43 2 Мелкая правка: 'text{if}~y,2015-07-30~\vert~x))$' -> 'text{if}~y ~ \vert~x))$'
ru10 Zlobober 2015-07-30 21:22:17 0 Мелкая правка: 'тобы $x_i~|~x_,2015-07-30{i+1}$ для' -> 'тобы $x_i~\bar~x_{i+1}$ для'
ru9 Zlobober 2015-07-30 21:22:01 17 Мелкая правка: 'тобы $x_i~|~x_,2015-07-30{i+1}$ для' -> 'тобы $x_i~\bar~x_{i+1}$ для'
ru8 Zlobober 2015-07-30 21:21:43 5 Мелкая правка: 'тобы $x_i~|~x_,2015-07-30{i+1}$ для' -> 'тобы $x_i~\bar~x_{i+1}$ для'
ru7 Zlobober 2015-07-30 21:21:26 16 Мелкая правка: 'тобы $x_i~|~x_,2015-07-30{i+1}$ для' -> 'тобы $x_i~\bar~x_{i+1}$ для'
ru6 Zlobober 2015-07-30 21:18:43 0 Мелкая правка: 'text{if}~y,2015-07-30~|~x,2015-07-30))$по все' -> 'text{if}~y~|~x))$ по все'
ru5 Zlobober 2015-07-30 21:18:43 7 Мелкая правка: 'text{if}~y,2015-07-30~|~x,2015-07-30))$по все' -> 'text{if}~y~|~x))$ по все'
ru4 Zlobober 2015-07-30 21:18:40 0 Мелкая правка: 'text{if}~y,2015-07-30~|~x,2015-07-30))$по все' -> 'text{if}~y~|~x))$ по все'
ru3 Zlobober 2015-07-30 21:12:54 1028
ru2 Zlobober 2015-07-30 21:05:00 4609
ru1 Zlobober 2015-07-30 20:26:09 615 Первая редакция (сохранено в черновиках)