树哈希

我们有时需要判断一些树是否同构。这时,选择恰当的哈希方式来将树映射成一个便于储存的哈希值(一般是 32 位或 64 位整数)是一个优秀的方案。

树哈希有很多种哈希方式,下面将选出几种较为常用的方式来加以介绍。

方法一

公式

f_{now}=size_{now} \times \sum f_{son_{now,i}}\times seed^{i-1}

其中 f_x 为以节点 x 为根的子树对应的哈希值。特殊地,我们令叶子节点的哈希值为 1

size_{x} 表示以节点 x 为根的子树大小。

son_{x,i} 表示 x 所有子节点以 f 作为关键字排序后排名第 i 的儿子。

seed 为选定的一个合适的种子(最好是质数,对字符串 hash 有了解的人一定不陌生)

上述哈希过程中,可以适当取模避免溢出或加快运行速度。

Hack

treehash1

上图中,可以计算出两棵树的哈希值均为 60(1+seed)

方法二

公式

f_{now}=\bigoplus f_{son_{now,i}}\times seed+size_{son_{now,i}}

其中 f_x 为以节点 x 为根的子树对应的哈希值。特殊地,我们令叶子节点的哈希值为 1

size_{x} 表示以节点 x 为根的子树大小。

son_{x,i} 表示 x 所有子节点之一(不用排序)。

seed 为选定的一个合适的质数。

\large\bigoplus 表示异或和。

Hack

由于异或的性质,如果一个节点下有多棵本质相同的子树,这种哈希值将无法分辨该种子树出现 1,3,5,\dots 次的情况。

方法三

公式

f_{now}=1+\sum f_{son_{now,i}} \times prime(size_{son_{now,i}})

其中 f_x 为以节点 x 为根的子树对应的哈希值。

size_{x} 表示以节点 x 为根的子树大小。

son_{x,i} 表示 x 所有子节点之一(不用排序)。

prime(i) 表示第 i 个质数。

例题

例题一 「BJOI2015」树的同构

我们用上述方式任选其一进行哈希,注意到我们求得的是子树的 hash 值,也就是说只有当根一样时同构的两棵子树 hash 值才相同。由于数据范围较小,我们可以暴力求出以每个点为根时的哈希值,也可以通过 up and down 树形 dp 的方式,遍历树两遍求出以每个点为根时的哈希值,排序后比较。

如果数据范围较大,我们可以通过找重心的方式来优化复杂度。(一棵树的重心最多只有两个,分别比较即可)

做法一

例题参考代码
#include <algorithm>
#include <cstdio>

using i64 = long long;
using u64 = unsigned long long;

constexpr int maxT = 50;
constexpr int maxn = 50;
constexpr int SEED = 98243;
constexpr int inf = 2147483647;

inline int io() {
  static int _;
  return scanf("%d", &_), _;
}

template <class _Tp>
inline _Tp Max(const _Tp x, const _Tp y) {
  return x > y ? x : y;
}
template <class _Tp>
inline void chkMax(_Tp &x, const _Tp y) {
  (x < y) && (x = y);
}
template <class _Tp>
inline void chkMin(_Tp &x, const _Tp y) {
  (x > y) && (x = y);
}
template <class _Tp>
inline void swap(_Tp &x, _Tp &y) {
  _Tp z = x;
  x = y;
  y = z;
}

struct Edge {
  int v;
  Edge *las;
  inline Edge *init(const int to, Edge *const ls) {
    return v = to, las = ls, this;
  }
} * las[maxn + 1], pool[maxn << 1], *alc = pool - 1;

inline void lnk(const int u, const int v) {
  if (u == 0) return;
  las[u] = (++alc)->init(v, las[u]);
  las[v] = (++alc)->init(u, las[v]);
}

u64 hval[maxn + 1];
void calc(const int u, const int fa) {
  static u64 lis[maxn + 1];
  static int sz[maxn + 1];

  /* DFS 时计算 size */
  sz[u] = 1;
  for (Edge *o = las[u]; o; o = o->las)
    if (o->v != fa) calc(o->v, u), sz[u] += sz[o->v];

  /* 将 u 各个儿子的哈希值排序 */
  int cnt = 0;
  for (Edge *o = las[u]; o; o = o->las)
    if (o->v != fa) lis[++cnt] = hval[o->v];
  std::sort(lis + 1, lis + cnt + 1);

  /* 计算 u 的哈希值 */
  u64 val = 0;
  for (int i = 1; i <= cnt; ++i) val = val * SEED + lis[i];
  hval[u] = val ? val * sz[u] : 1;
}

int sz[maxn + 1], mxsz[maxn + 1];
void precalc(const int u, const int fa) {
  /* 找树的重心 */
  sz[u] = 1;
  mxsz[u] = 0;
  for (Edge *o = las[u]; o; o = o->las)
    if (o->v != fa) {
      precalc(o->v, u);
      sz[u] += sz[o->v];
      chkMax(mxsz[u], sz[o->v]);
    }
}

int main() {
  static int n[maxT + 1];
  static u64 val[maxT + 1][2];

  const int T = io();
  for (int i = 1; i <= T; ++i) {
    n[i] = io();
    for (int u = 1; u <= n[i]; ++u) lnk(io(), u);

    precalc(1, 0);
    int rtsz = inf, cnt = 0;
    for (int u = 1; u <= n[i]; ++u) chkMin(rtsz, Max(mxsz[u], n[i] - sz[u]));
    for (int u = 1; u <= n[i]; ++u)
      if (rtsz == Max(mxsz[u], n[i] - sz[u]))
        calc(u, 0), val[i][cnt++] = hval[u];
    /* 如果这个点是重心就计算其哈希值 */

    if (cnt == 2 && val[i][0] > val[i][1]) swap(val[i][0], val[i][1]);

    /* 清空数组 */
    for (int u = 1; u <= n[i]; ++u) las[u] = nullptr;
    alc = pool - 1;
  }

  for (int i = 1; i <= T; ++i) {
    bool flag = true;
    for (int j = 1; j != i; ++j)
      if (n[i] == n[j] && val[i][0] == val[j][0] && val[i][1] == val[j][1]) {
        /* 若树 j 与树 i 点数相同且重心哈希值相同,则其同构 */
        flag = false;
        printf("%d\n", j);
        break;
      }
    if (flag) printf("%d\n", i);
  }

  return 0;
}

做法二

例题参考代码
#include <algorithm>
#include <cstdio>
#include <tr1/unordered_map>
#include <vector>

class Solution {
 private:
  typedef unsigned long long ull;
  typedef std::vector<int>::iterator it;
  static const ull seed = 2333233233;
  static const int maxn = 107;

  int n, m, size[maxn], lastRoot, root, lastMax, Max, ans;
  ull hashval[maxn], res;
  std::vector<int> e[maxn];
  std::tr1::unordered_map<ull, int> id;

  ull getHash(int now, int fa) {
    size[now] = 1;
    hashval[now] = 1;
    for (register it i = e[now].begin(); i != e[now].end(); ++i) {
      int v = *i;
      if (v == fa) {
        continue;
      }
      hashval[now] ^= getHash(v, now) * seed + size[v];
      size[now] += size[v];
    }
    return hashval[now];
  }

  void getRoot(int now, int fa) {
    int max = 0;
    size[now] = 1;
    for (register it i = e[now].begin(); i != e[now].end(); ++i) {
      int v = *i;
      if (v == fa) {
        continue;
      }
      getRoot(v, now);
      size[now] += size[v];
      max = std::max(max, size[v]);
    }
    max = std::max(max, n - size[now]);
    if (max < Max && now != lastRoot) {
      root = now;
      Max = max;
    }
  }

 public:
  Solution() {
    get();
    solve();
  }

  void get() {
    scanf("%d", &m);
    for (register int i = 1; i <= m; i++) {
      scanf("%d", &n);
      for (register int j = 1; j <= n; j++) {
        std::vector<int>().swap(e[j]);
      }
      for (register int j = 1, fa; j <= n; j++) {
        scanf("%d", &fa);
        if (!fa) {
          root = j;
        } else {
          e[fa].push_back(j);
          e[j].push_back(fa);
        }
      }
      lastRoot = root = 0;
      Max = n;
      getRoot(1, 0);
      lastRoot = root, lastMax = Max;
      res = getHash(root, 0);
      if (!id.count(res)) {
        id[res] = i;
      }
      ans = id[res];

      Max = n;
      getRoot(1, 0);
      if (lastMax == Max) {
        res = getHash(root, 0);
        if (!id.count(res)) {
          id[res] = i;
        }
        ans = std::min(ans, id[res]);
      }
      printf("%d\n", ans);
    }
  }

  void solve() {}
};
Solution sol;

int main() {}

例题二 HDU 6647

题目要求的是遍历一棵无根树产生的本质不同括号序列方案数。

首先,注意到一个结论,对于两棵有根树,如果他们不同构,一定不会生成相同的括号序列。我们先考虑遍历有根树能够产生的本质不同括号序列方案数,假设我们当前考虑的子树根节点为 u ,记 f(u) 表示这棵子树的方案数, son(u) 表示 u 的儿子节点集合,从 u 开始往下遍历,顺序可以随意选择,产生 |son(u)|! 种排列,遍历每个儿子节点 v v 的子树内有 f(v) 种方案,因此有 f(u)=|son(u)|! \cdot \prod_{v\in son(u)} f(v) 。但是,同构的子树之间会产生重复, f(u) 需要除掉每种本质不同子树出现次数阶乘的乘积,类似于多重集合的排列。

通过上述树形 dp,可以求出根节点的方案数,再通过 up and down 树形 dp,将父亲节点的哈希值和方案信息转移给儿子,可以求出以每个节点为根时的哈希值和方案数,每种不同的子树只需要计数一次即可。

注意,本题数据较强,树哈希很容易发生冲突。这里提供一个比较简单的解决方法,求出一个节点子树的哈希值后,可以将其前后分别插入一个值再计算一遍哈希值。

做法

例题参考代码
#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <map>
#include <set>
#include <utility>
#include <vector>
using namespace std;
typedef long long ll;
typedef unsigned long long ull;
typedef pair<int, int> PII;
const int mod = 998244353;
const int inf = 1 << 30;
const int maxn = 100000 + 5;
namespace sieve {
const int maxp = 2000000 + 5;
int vis[maxp], prime[maxp], tot;
void init() {
  ms(vis, 0);
  for (int i = 2; i < maxp; i++) {
    if (!vis[i]) prime[++tot] = i;
    for (int j = 1; j <= tot && prime[j] * i < maxp; j++) {
      vis[i * prime[j]] = 1;
      if (i % prime[j] == 0) break;
    }
  }
}
}  // namespace sieve
namespace MyIO {
struct fastIO {
  char s[100000];
  int it, len;
  fastIO() { it = len = 0; }
  inline char get() {
    if (it < len) return s[it++];
    it = 0;
    len = fread(s, 1, 100000, stdin);
    if (len == 0)
      return EOF;
    else
      return s[it++];
  }
  bool notend() {
    char c = get();
    while (c == ' ' || c == '\n') c = get();
    if (it > 0) it--;
    return c != EOF;
  }
} buff;
inline int gi() {
  int r = 0;
  bool ng = 0;
  char c = buff.get();
  while (c != '-' && (c < '0' || c > '9')) c = buff.get();
  if (c == '-') ng = 1, c = buff.get();
  while (c >= '0' && c <= '9') r = r * 10 + c - '0', c = buff.get();
  return ng ? -r : r;
}
}  // namespace MyIO
namespace {
inline int add(int x, int y) {
  x += y;
  return x >= mod ? x -= mod : x;
}
inline int sub(int x, int y) {
  x -= y;
  return x < 0 ? x += mod : x;
}
inline int mul(int x, int y) { return 1ll * x * y % mod; }
inline int qpow(int x, ll n) {
  int r = 1;
  while (n > 0) {
    if (n & 1) r = 1ll * r * x % mod;
    n >>= 1;
    x = 1ll * x * x % mod;
  }
  return r;
}
inline int inv(int x) { return qpow(x, mod - 2); }
}  // namespace
using MyIO::gi;
using sieve::prime;
int ping[maxn], pingv[maxn];
int n, ans, siz[maxn];
vector<int> edge[maxn];
map<ull, int> uqc[maxn];
map<ull, int>::iterator it;
ull hashval[maxn], hashrt[maxn];
ull srchashval[maxn], srchashrt[maxn];
int dp[maxn], rdp[maxn];
ull pack(ull val, int sz) { return 2ull + 3ull * val + 7ull * prime[sz + 1]; }
void predfs(int u, int ff) {
  siz[u] = dp[u] = 1;
  hashval[u] = 1;
  int sz = 0;
  for (int v : edge[u]) {
    if (v == ff) continue;
    predfs(v, u);
    sz++;
    siz[u] += siz[v];
    dp[u] = mul(dp[u], dp[v]);
    uqc[u][hashval[v]]++;
    hashval[u] += hashval[v] * prime[siz[v]];
  }
  srchashval[u] = hashval[u];
  hashval[u] = pack(hashval[u], siz[u]);
  dp[u] = mul(dp[u], ping[sz]);
  for (it = uqc[u].begin(); it != uqc[u].end(); it++) {
    dp[u] = mul(dp[u], pingv[it->second]);
  }
}
set<ull> qc;
void dfs(int u, int ff) {
  if (!qc.count(hashrt[u])) {
    qc.insert(hashrt[u]);
    ans = add(ans, rdp[u]);
  }
  for (int v : edge[u]) {
    if (v == ff) continue;
    ull tmp = srchashrt[u] - hashval[v] * prime[siz[v]];
    tmp = pack(tmp, n - siz[v]);
    uqc[v][tmp]++;
    srchashrt[v] = srchashval[v] + tmp * prime[n - siz[v]];
    hashrt[v] = pack(srchashrt[v], n);
    int tdp = mul(rdp[u], inv(dp[v]));
    tdp = mul(tdp, inv((int)edge[u].size()));
    tdp = mul(tdp, uqc[u][hashval[v]]);
    rdp[v] = mul(dp[v], tdp);
    rdp[v] = mul(rdp[v], (int)edge[v].size());
    rdp[v] = mul(rdp[v], inv(uqc[v][tmp]));
    dfs(v, u);
  }
}
int main() {
  sieve::init();
  ping[0] = pingv[0] = 1;
  for (int i = 1; i < maxn; i++) {
    ping[i] = mul(ping[i - 1], i);
    pingv[i] = mul(pingv[i - 1], inv(i));
  }
  int T = gi();
  while (T--) {
    n = gi();
    for (int i = 2, u, v; i <= n; i++) {
      u = gi();
      v = gi();
      edge[u].push_back(v);
      edge[v].push_back(u);
    }
    predfs(1, 0);
    ans = 0;
    qc.clear();
    rdp[1] = dp[1];
    hashrt[1] = hashval[1];
    srchashrt[1] = srchashval[1];
    dfs(1, 0);
    printf("%d\n", ans);
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
      edge[i].clear();
      uqc[i].clear();
    }
  }
  return 0;
}

写在最后

事实上,树哈希是可以很灵活的,可以有各种各样奇怪的姿势来进行 hash,只需保证充分性与必要性,选手完全可以设计出与上述方式不同的 hash 方式。

参考资料

方法三参考自博客 树 hash


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