「最短路径树」黑暗城堡

2023-03-17 20:38 由星双子发表于 #其他

本题为3月17日23上半学期集训每日一题中B题的题解

题面

题目描述

在顺利攻破 Lord lsp 的防线之后，lqr 一行人来到了 Lord lsp 的城堡下方。Lord lsp 黑化之后虽然拥有了强大的超能力，能够用意念力制造建筑物，但是智商水平却没怎么增加。现在 lqr 已经搞清楚黑暗城堡有 N 个房间，M 条可以制造的双向通道，以及每条通道的长度。

lqr 深知 Lord lsp 的想法，为了避免每次都要琢磨两个房间之间的最短路径，Lord lsp 一定会把城堡修建成树形的；但是，为了尽量提高自己的移动效率，Lord lsp 一定会使得城堡满足下面的条件：

设 \(D_i\) 为如果所有的通道都被修建，第 i 号房间与第 1 号房间的最短路径长度；而 \(S_i\) 为实际修建的树形城堡中第 i 号房间与第 1 号房间的路径长度，对于所有满足 \(1\leq i\leq N\) 的整数 i，有 \(S_i = D_i\) 。

为了打败 Lord lsp，lqr 想知道有多少种不同的城堡修建方案。于是 lqr 向 applepi 提出了这个问题。由于 applepi 还要忙着出模拟赛，所以这个任务就交给你了。当然，你只需要输出答案对 \(2^{31} – 1\) 取模之后的结果就行了

输入

第一行有两个整数 N 和 M。之后 M 行，每行三个整数 X，Y 和 L，表示可以修建 X 和 Y 之间的一条长度为 L 的通道。

输出

输出一个整数，表示答案对 \(2^{31} – 1\) 取模之后的结果。

样例输入

样例输出

提示

对于 30% 的数据，\(2\leq N\leq 5\) ，\(M\leq 10\) 。

对于 50% 的数据，满足条件的方案数不超过 10000。

对于 100% 的数据，\(2\leq N\leq 1000\)，\(N – 1\leq M\leq \frac{N\times (N – 1)}{2}\)，\(1 \leq L\leq 100\)。

思路分析

本题题目的意思是说,给你一张图,让你选择其中的几条边来组成一个生成树,这个生成树中的点需要满足到节点1的最短距离与原本到节点1的最短距离一致.

换句话说,这个生成树中是以每个节点到节点1的路径就是原本图中的最短路径组成的.这种生成树我们称之为最短路径树(不要管oj上这题的tag).所以这道题就是让我们求原图有几个最短路径树.此题没有负权边,想要求解一颗这样的最短路径树,其实只要使用Dijkstra算法即可.

如果你不知道什么是Dijkstra算法,请自行搜索学习,比如阅读这篇博客.然后独立通过洛谷上的这道模板题,以确保你已学会.

根据Dijkstra算法的运行过程可知,在以一个点为起点跑完Dijkstra算法以后,我们会得到以这个点为起点,到图上所有点的一条最短路径.而根据最短路径的定义可知,一个图上所有最短路径的集合必然是原图的一颗生成树.这里简单说明一下:

首先,在由最短路径组成的图形中,一定不会出现正环,因为沿着正环路径一定变长,不会组成最短路的一部分.
其次,不会出现在一个点分出的两条路径在另一个点上合并,因为最短路径长度一定是一样的,而Dijkstra只会找出从起点到每一个点的一条最短路径.

但是这题不是让我们求原图的一颗最短路径树,而是让我们求原图一共有多少种最短路径树,所以我们还需要知道什么时候会产生多棵树.其实在前面分析中已经出现产生多棵树的原因了,那就是在两个点之间出现了多条边和这两点间的最短路径长度相等(注意,是边,不是路径,因为后续会用分步乘法计数原理来计算总数,而路径是由边来产生的,所以会自动计算出路径数).正是因为有这样的边,所以我们在产生最短路径的时候可以有多种选择,也就会有多种最短路径树.而Dijkstra算法本身只选择了其中之一.所以要求总数,我们只需要再维护出两个点之间有多少条和最短路径长度相等的边,然后利用分步乘法计数原理把它们乘起来即可.

参考代码

时间复杂度: \(O(MlogN)\)

空间复杂度: \(O(N + M)\)

#pragma GCC optimize(1)
#pragma GCC optimize(2)
#pragma GCC optimize(3, "Ofast", "inline")
#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

using i64 = long long;

/*
    边对象
*/
struct edge {
    int to;
    int cost;
};

int main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(nullptr);
    cout.tie(nullptr);

    int n, m;
    cin >> n >> m;

    vector<vector<edge>> g(n, vector<edge>()); // 邻接表

    // 输入各个边,构建邻接表
    while (m--) {
        int x, y, l;
        cin >> x >> y >> l;
        x--;
        y--;
        g[x].push_back({y, l});
        g[y].push_back({x, l}); // 无向图
    }

    // 优先队列(二叉堆)优化的Dijkstra模板.如果你不会优先队列优化,在这题里写一个普通的Dijkstra应该也是可以的,但是推荐写优先队列优化的Dijkstra
    priority_queue<pair<int, int>> que;
    int *d = new int[n];
    memset(d, 0x3f, sizeof(int) * n);
    d[0] = 0;
    que.push({d[0], 0});
    while (!que.empty()) {
        int u = que.top().second;
        que.pop();
        for (auto i : g[u]) {
            int v = i.to;
            int c = i.cost;
            if (d[v] > d[u] + c) {
                d[v] = d[u] + c;
                que.emplace(d[v], v);
            }
        }
    }

    // 计算每两个点之间有多少条路径和最短路径长度一致
    int *cost = new int[n];
    memset(cost, 0, sizeof(int) * n);
    for (int u = 0; u < n; u++) {
        for (auto i : g[u]) {
            int v = i.to;
            int c = i.cost;
            if (d[v] - d[u] == c) { // 如果当前两点间的最短路径和当前两点之间的边长相等,证明有多种选择
                cost[v]++;
            }
        }
    }

    // 利用分步乘法计数原理计算出最短路径树的数量
    i64 res = 1;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (cost[i]) { // 注意不要把0乘进去
            res = res * cost[i] % ((1LL << 31) - 1); // (1LL << 31) - 1即为2^31 - 1,LL表示这个字面量1是long long类型而不是默认的int类型
        }
    }

    cout << res << "\n";
    delete[] d;
    delete[] cost;
    return 0;
}

"正是我们每天反复做的事情，最终造就了我们，优秀不是一种行为，而是一种习惯" ---亚里士多德

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