并查集（算法）

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一、并查集的概念

最裸并查集：

1. 将两个集合合并。

2. 询问两个元素是否在一个集合当中 ，近乎 $O(1)$ 时间内支持两个操作

基本原理：每个集合用一棵树来表示，树根的编号就是整个集合的编号，每个节点存储它的父节点，p[x]表示x的父节点。

• 如何判断树根？

if (p[x] == x)
1

• 如何求x的集合编号？

// 暴力遍历
while (p[x] != x) x = p[x];

// 路径压缩优化
int find(int x)
{
	if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
	return p[x];
}
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此方法要层层遍历父节点来得到根节点 $O(n)$ n - 树的高度
优化方法：①路径压缩（常用） ②按秩合并 ③启发式合并

• 如何合并两个集合?
  

// p[x]是x的集合编号，p[y]是y的集合编号
p[x] = y;
1
2

二、并查集的使用

合并集合

题目描述：
一共有 $n$ 个数，编号是 $1\sim n$，最开始每个数各自在一个集合中。

现在要进行 $m$ 个操作，操作共有两种：

1. M a b，将编号为 a 和 b 的两个数所在的集合合并，如果两个数已经在同一个集合中，则忽略这个操作；
2. Q a b，询问编号为 a 和 b 的两个数是否在同一个集合中；

输入格式：
第一行输入整数 $n$ 和 $m$。

接下来 $m$ 行，每行包含一个操作指令，指令为 M a b 或 Q a b 中的一种。

输出格式：
对于每个询问指令 Q a b，都要输出一个结果，如果 a 和 b 在同一集合内，则输出 Yes，否则输出 No。

每个结果占一行。

数据范围：
$1\le n\le 10^5$
$1\le m\le 10^5$

输入样例：

4 5
M 1 2
M 3 4
Q 1 2
Q 1 3
Q 3 4
1
2
3
4
5
6

输出样例：

Yes
No
Yes
1
2
3

代码实现：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;

const int N = 1e5 + 10;
int p[N];

int find(int x)
{
	if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
	return p[x];
}
int main()
{
	cin.tie(0);
	int n, m;
	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= n; ++i) p[i] = i;

	while (m--)
	{
		int a, b;
		char op;
		cin >> op >> a >> b;
		switch (op)
		{
		case 'M':
			p[find(a)] = find(b);
			break;
		case 'Q':
			if (find(a) == find(b)) cout << "Yes" << endl;
			else cout << "No" << endl;
			break;
		default:
			cout << "Please enter seriously!" << endl;
			break;
		}
	}
	return 0;
}
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连通块中点的数量

题目描述：
给定一个包含 $n$ 个点（编号为 $1\sim n$）的无向图，初始时图中没有边。

现在要进行 $m$ 个操作，操作共有三种：

• C a b：在点 $a$ 和点 $b$ 之间连一条边，$a$ 和 $b$ 可能相等；
• Q1 a b：询问点 $a$ 和点 $b$ 是否在同一个连通块中，$a$ 和 $b$ 可能相等；
• Q2 a：询问点 $a$ 所在连通块中点的数量；

输入格式：
第一行输入整数 $n$ 和 $m$。接下来 $m$ 行，每行包含一个操作指令，指令为 C a b，Q1 a b 或 Q2 a 中的一种。

输出格式：
对于每个询问指令 Q1 a b，如果 $a$ 和 $b$ 在同一个连通块中，则输出 Yes，否则输出 No。

对于每个询问指令 Q2 a，输出一个整数表示点 $a$ 所在连通块中点的数量。

每个结果占一行。

数据范围：
$1\le n\le 10^5$
$1\le m\le 10^5$

输入样例：

5 5
C 1 2
Q1 1 2
Q2 1
C 2 5
Q2 5
1
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6

输出样例：

Yes
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1
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3

分析：

并查集 + 附加信息，附加信息为家族中成员的数量，需要一个额外的数组$cnt[N]$。记录以结点i为根的的家族成员数量。

与最祼并查集的区别:

• 初始化时，需要将$cnt[i]=1$（每次操作为一个点，故初始化为1）

• 合并时，需要$cnt[find(b)]+=cnt[find(a)]$（利用根节点来计数）

• 查询时，返回$cnt[find(a)]$

代码实现：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;

const int N = 1e5 + 10;
int p[N], cnt[N];
int find(int x)
{
	if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
	return p[x];
}
int main()
{
	cin.tie(0);
	int m, n;
	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= n; ++i) p[i] = i, cnt[i] = 1;

	while (m--)
	{
		int a, b;
		string op;
		cin >> op;
		if (op == "C")
		{
			cin >> a >> b;
			cnt[find(b)] += cnt[find(a)];
			p[find(a)] = find(b);
		}
		else if (op == "Q1")
		{
			cin >> a >> b;
			if (find(a) == find(b)) cout << "Yes" << endl;
			else cout << "No" << endl;
		}
		else if (op == "Q2")
		{
			cin >> a;
			cout << cnt[find(a)] << endl;
		}
		else
			cout << "Please enter seriously!" << endl;
	}

	return 0;
}
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食物链

题目描述：
动物王国中有三类动物 $A,B,C$，这三类动物的食物链构成了有趣的环形。
$A$ 吃 $B$，$B$ 吃 $C$，$C$ 吃 $A$。

现有 $n$ 个动物，以 $1\sim n$ 编号。

每个动物都是 $A,B,C$ 中的一种，但是我们并不知道它到底是哪一种。

有人用两种说法对这 $n$ 个动物所构成的食物链关系进行描述：

第一种说法是 1 X Y，表示 $X$ 和 $Y$ 是同类。

第二种说法是 2 X Y，表示 $X$ 吃 $Y$。

此人对 $n$ 个动物，用上述两种说法，一句接一句地说出 $m$ 句话，这 $m$ 句话有的是真的，有的是假的。

当一句话满足下列三条之一时，这句话就是假话，否则就是真话。

当前的话与前面的某些真的话冲突，就是假话；
当前的话中 $X$ 或 $Y$ 比 $N$ 大，就是假话；
当前的话表示 $X$ 吃 $X$，就是假话。

你的任务是根据给定的 $n$ 和 $m$ 句话，输出假话的总数。

输入格式：
第一行是两个整数 $n$ 和 $m$，以一个空格分隔。

以下 $K$ 行每行是三个正整数 $D,X,Y$，两数之间用一个空格隔开，其中 $D$ 表示说法的种类。

若 $D=1$，则表示 $X$ 和 $Y$ 是同类。

若 $D=2$，则表示 $X$ 吃 $Y$。

输出格式：
只有一个整数，表示假话的数目。

数据范围：
$1\le n\le 50000$
$0\le m\le 100000$

输入样例：

100 7
1 101 1 
2 1 2
2 2 3 
2 3 3 
1 1 3 
2 3 1 
1 5 5
1
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输出样例：

3
1

带权并查集

思路：

功能：查询祖先+修改父节点为祖先+更新节点到根的距离（通过到父节点的距离累加和）

$d[i]$ 的含义：第 $i$ 个节点到其父节点距离。

代码实现：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
const int N = 5e4 + 10;
int p[N], d[N]; // p[]寻找祖宗节点，d[]求到祖宗节点的距离

int find(int x)
{
	if (x != p[x])
	{
		// 路径的长度（高度），是需要自上而下加起来的，从根节点往下走
		// 先触发递归，再从根节点往后增加距离
		int t = find(p[x]); // t暂时存一下p[x]根节点，辅助变量
		d[x] += d[p[x]]; // 更新距离
		p[x] = t;
	}
	return p[x];
}
int main()
{
	cin.tie(0);
	int n, m, res = 0; // res-记录错误数
	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= n; ++i) p[i] = i;
	while (m--)
	{
		int t, x, y;
		cin >> t >> x >> y;
		if (x > n || y > n) res++; // 当前话语中x或y比N大，是假话
		else
		{
			int px = find(x), py = find(y); // 查找根节点,每次循环时可以更新节点
			{
				if (t == 1) // 判断是否同类
				{
					// 若 x 与 y 在同一个集合中
					// 两数到根节点距离之差的模不为 0，说明不是同一类，是假话
					if (px == py && (d[x] - d[y] + 3) % 3) res++; // +3来处理负数取模的情况
					else if (px != py) // x 与 y 不在同一个集合中
					{
						p[px] = py;
						d[px] = d[y] - d[x]; // 暂时不更新，下轮循环调用 find 时会更新
					}
				}
				else if (t == 2)
				{
					// 若距离之差 - 1 的模不为 0，说明吃不掉，是假话
					if (px == py && (d[x] - d[y] - 1) % 3) res++;
					else if (px != py)
					{
						p[px] = py;
						d[px] = d[y] - d[x] + 1;
					}
				}
				else cout << "error" << endl;
			}
		}
	}
	cout << res << endl;
	return 0;
}
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扩展域并查集

思路：

$1\sim n$个元素扩大为$1\sim 3n$个元素，使用$[1\sim 3n]$个并查集（每一个并查集中的所有元素都具有同一种特性，不同并查集中不存在相同元素）来维护3n元素彼此的关系。

为了形象化思考问题，我们假设三种动物，互为食物链：$A、B、C$关系为：

• $A$ 捕食 $B$
• $B$ 捕食 $C$
• $C$ 捕食 $A$

在这里$x$元素，$x+n$元素，$x+2n$元素三者的关系被定义为：

• $x$元素的$p[x]$代表$x$家族

• $x+n$元素的$p[x+n]$代表$x$的天敌家族

• $x+2n$元素的$p[x+2n]$代表$x$的猎物家族

对于一句真话：

• 当$x$和$y$是同类

  • 将他们的天敌集合（$x+n$与$y+n$所在集合）合并
  • 将猎物集合（$x+2n$元素与$y+2n$元素所在集合）合并
  • 将$x,y$所在的集合 合并

• 当$x$是$y$的天敌

  • 将x家族与y的天敌家族合并
  • 将y家族和x的猎物家族合并
  • 将x的天敌家族和y的猎物家族合并

代码实现：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;

const int N = 5e4 + 10;
int p[N];

int find(int x)
{
	if (x != p[x]) p[x] = find(p[x]);
	return p[x];
}
void join(int x, int y)
{
	int px = find(x), py = find(y);
	if (px != py) p[px] = py;
}
int main()
{
	cin.tie(0);
	int n, m, res = 0;
	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= 3 * n; ++i) p[i] = i;
	while (m--)
	{
		int t, x, y;
		cin >> t >> x >> y;
		if (x > n || y > n) res++;
		else
		{
			if (t == 1)
			{
				if (find(x + n) == find(y) || find(x + 2 * n) == find(y)) res++;
				else
				{
					join(x, y);
					join(x + n, y + n);
					join(x + 2 * n, y + 2 * n);
				}
			}
			else if (t == 2)
			{
				if (find(x) == find(y) || find(x + n) == find(y)) res++;
				else
				{
					join(x + 2 * n, y);
					join(x + n, y + 2 * n);
					join(x, y + n);
				}
			}
			else cout << "error" << endl;
		}
	}
	cout << res << endl;
}
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