[Algorithm] C++/Python 백준 3176번 : 도로 네트워크

N개의 도시와 그 도시들을 연결하는 N-1개의 도로로 이루어진 도로 네트워크가 있다. 모든 도시는 유일한 경로로 연결되어 있으며, 각 도로의 길이는 입력으로 주어진다.

총 K개의 도시 쌍이 주어질 때, 각 쌍에 대해 두 도시를 연결하는 경로 상에서 가장 짧은 도로의 길이와 가장 긴 도로의 길이를 구하는 프로그램을 작성해야 한다. 이 문제는 트리 구조에서 두 노드 사이의 경로를 탐색하면서, 경로 상의 간선 가중치 중 최소값과 최대값을 빠르게 구하는 것이 핵심이다.

이를 위해 트리에서 두 노드의 최소 공통 조상(LCA, Lowest Common Ancestor)을 찾는 알고리즘과 Sparse Table을 활용하여 쿼리를 효율적으로 처리해야 한다. Binary Lifting 기법을 사용하여 각 노드의 2^k번째 조상을 미리 계산해 두면, 두 노드의 LCA를 O(log N) 시간에 찾을 수 있다.

또한, 각 노드에서 조상 노드까지의 경로 상의 최소 및 최대 간선 가중치를 저장해 두면, 두 노드 사이의 경로에서 최소값과 최대값을 구하는 데에도 O(log N) 시간이 소요된다.

문제 : https://www.acmicpc.net/problem/3176

접근 방식

이 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 알고리즘과 자료 구조를 사용하였다.

최소 공통 조상(LCA) 알고리즘: 트리에서 두 노드의 LCA를 찾기 위해 Binary Lifting 기법을 활용하였다. 이를 통해 두 노드의 LCA를 O(log N) 시간에 찾을 수 있다.
Sparse Table: 각 노드의 2^k번째 조상을 미리 계산해 두는 테이블을 구축하였다. 또한, 각 노드에서 조상까지의 경로에서의 최소 및 최대 간선 가중치를 저장하여 쿼리를 효율적으로 처리하였다.
DFS(Depth-First Search): 트리를 탐색하면서 각 노드의 깊이(depth)와 부모(parent)를 기록하였다.
Binary Lifting: 각 노드의 2^k번째 조상을 빠르게 찾기 위해 Binary Lifting을 사용하였다.

이를 통해 각 쿼리에 대해 O(log N)의 시간 복잡도로 답을 구할 수 있으며, 전체 시간 복잡도는 O(N log N + K log N)이다.

C++ 코드와 설명

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#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <algorithm>
using namespace std;

const int MAXN = 100001;
const int MAXLOGN = 17; // 2^17 = 131072 > 1e5

int N;
vector<pair<int, int>> adj[MAXN]; // 인접 리스트: (연결된 도시, 도로의 길이)

int depth[MAXN]; // 각 도시의 깊이
int anc[MAXN][MAXLOGN + 1]; // anc[v][k]: 도시 v의 2^k번째 조상
int min_t[MAXN][MAXLOGN + 1]; // min_t[v][k]: 도시 v에서 anc[v][k]까지의 최소 도로 길이
int max_t[MAXN][MAXLOGN + 1]; // max_t[v][k]: 도시 v에서 anc[v][k]까지의 최대 도로 길이

void dfs(int u, int p) {
    for (auto &edge : adj[u]) {
        int v = edge.first;
        int w = edge.second;
        if (v != p) {
            depth[v] = depth[u] + 1; // 깊이 설정
            anc[v][0] = u; // 부모 설정
            min_t[v][0] = w; // 최소값 초기화
            max_t[v][0] = w; // 최대값 초기화
            dfs(v, u); // 재귀 호출
        }
    }
}

int main() {
    scanf("%d", &N);
    // 도로 정보 입력
    for (int i = 0; i < N - 1; ++i) {
        int A, B, C;
        scanf("%d %d %d", &A, &B, &C);
        adj[A].push_back({B, C});
        adj[B].push_back({A, C});
    }
    // 초기화
    memset(anc, -1, sizeof(anc));
    memset(min_t, 0x3f, sizeof(min_t)); // 매우 큰 값으로 초기화
    memset(max_t, 0, sizeof(max_t));    // 0으로 초기화

    // 루트 노드 설정
    depth[1] = 0;
    anc[1][0] = -1;

    // DFS를 이용해 깊이와 1번째 조상, 최소/최대 도로 길이 설정
    dfs(1, -1);

    // Sparse Table 구성
    for (int k = 1; k <= MAXLOGN; ++k) {
        for (int v = 1; v <= N; ++v) {
            if (anc[v][k - 1] != -1) {
                int mid_anc = anc[v][k - 1];
                anc[v][k] = anc[mid_anc][k - 1]; // 2^k번째 조상 설정
                min_t[v][k] = min(min_t[v][k - 1], min_t[mid_anc][k - 1]); // 최소값 갱신
                max_t[v][k] = max(max_t[v][k - 1], max_t[mid_anc][k - 1]); // 최대값 갱신
            }
        }
    }

    // 쿼리 처리
    int K;
    scanf("%d", &K);
    for (int i = 0; i < K; ++i) {
        int D, E;
        scanf("%d %d", &D, &E);
        int min_ans = 1e9 + 1;
        int max_ans = -1;

        if (depth[D] < depth[E])
            swap(D, E);

        // 깊이를 동일하게 조정
        for (int k = MAXLOGN; k >= 0; --k) {
            if (anc[D][k] != -1 && depth[anc[D][k]] >= depth[E]) {
                min_ans = min(min_ans, min_t[D][k]); // 최소값 갱신
                max_ans = max(max_ans, max_t[D][k]); // 최대값 갱신
                D = anc[D][k]; // 조상으로 이동
            }
        }

        if (D == E) {
            printf("%d %d\n", min_ans, max_ans);
            continue;
        }

        // LCA 찾기
        for (int k = MAXLOGN; k >= 0; --k) {
            if (anc[D][k] != -1 && anc[D][k] != anc[E][k]) {
                min_ans = min(min_ans, min_t[D][k]);
                min_ans = min(min_ans, min_t[E][k]); // 최소값 갱신
                max_ans = max(max_ans, max_t[D][k]);
                max_ans = max(max_ans, max_t[E][k]); // 최대값 갱신
                D = anc[D][k]; // 조상으로 이동
                E = anc[E][k]; // 조상으로 이동
            }
        }

        // LCA의 바로 아래 간선 처리
        min_ans = min(min_ans, min_t[D][0]);
        min_ans = min(min_ans, min_t[E][0]); // 최소값 갱신
        max_ans = max(max_ans, max_t[D][0]);
        max_ans = max(max_ans, max_t[E][0]); // 최대값 갱신

        printf("%d %d\n", min_ans, max_ans);
    }

    return 0;
}

코드 설명

데이터 입력 및 초기화:
- 도로 정보를 입력받아 인접 리스트 adj에 저장한다.
- memset 함수를 사용하여 배열을 초기화한다.
  - anc 배열을 -1로 초기화하여 초기 상태를 설정한다.
  - min_t 배열은 큰 값으로, max_t 배열은 0으로 초기화한다.
DFS를 통한 깊이 및 조상 설정:
- dfs 함수에서 각 노드의 깊이와 부모를 설정하고, 간선의 가중치를 min_t와 max_t에 저장한다.
- 재귀적으로 트리를 탐색하며 정보를 수집한다.
Sparse Table 구축:
- 이중 반복문을 통해 각 노드의 2^k번째 조상을 계산하고, 해당 경로에서의 최소 및 최대 간선 가중치를 갱신한다.
- anc[v][k], min_t[v][k], max_t[v][k]를 업데이트한다.
쿼리 처리:
- 입력받은 두 노드의 깊이를 맞추기 위해 깊이가 더 깊은 노드를 위로 올린다.
- 깊이를 맞춘 후, 두 노드가 같아질 때까지 k를 감소시키며 조상을 찾아간다.
- 이 과정에서 최소값과 최대값을 갱신한다.
- 최종적으로 LCA의 바로 아래 간선까지 고려하여 결과를 출력한다.

위의 코드는 컴파일 에러 없이 동작하며, 주어진 입력에 대해 올바른 출력을 생성합니다.

C++ without library 코드와 설명

stdio.h와 malloc.h만을 사용하여 표준 라이브러리를 사용하지 않고 구현한 코드이다.

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAXN 100001
#define MAXLOGN 17

typedef struct Edge {
    int to;
    int weight;
    struct Edge* next;
} Edge;

Edge* adj[MAXN]; // 인접 리스트
int depth[MAXN];
int anc[MAXN][MAXLOGN + 1];
int min_t[MAXN][MAXLOGN + 1];
int max_t[MAXN][MAXLOGN + 1];

void add_edge(int from, int to, int weight) {
    Edge* edge = (Edge*)malloc(sizeof(Edge));
    edge->to = to;
    edge->weight = weight;
    edge->next = adj[from];
    adj[from] = edge;
}

void dfs(int u, int p) {
    Edge* edge = adj[u];
    while (edge != NULL) {
        int v = edge->to;
        int w = edge->weight;
        if (v != p) {
            depth[v] = depth[u] + 1;
            anc[v][0] = u;
            min_t[v][0] = w;
            max_t[v][0] = w;
            dfs(v, u);
        }
        edge = edge->next;
    }
}

int main() {
    int N;
    scanf("%d", &N);

    // 도로 정보 입력
    for (int i = 0; i < N - 1; ++i) {
        int A, B, C;
        scanf("%d %d %d", &A, &B, &C);
        add_edge(A, B, C);
        add_edge(B, A, C);
    }

    // 초기화
    for (int i = 1; i <= N; ++i) {
        for (int k = 0; k <= MAXLOGN; ++k) {
            anc[i][k] = -1;
            min_t[i][k] = 1e9 + 1;
            max_t[i][k] = 0;
        }
    }

    // 루트 노드 설정
    depth[1] = 0;
    anc[1][0] = -1;

    // DFS를 이용해 깊이와 1번째 조상, 최소/최대 도로 길이 설정
    dfs(1, -1);

    // Sparse Table 구성
    for (int k = 1; k <= MAXLOGN; ++k) {
        for (int v = 1; v <= N; ++v) {
            if (anc[v][k - 1] != -1) {
                int mid_anc = anc[v][k - 1];
                anc[v][k] = anc[mid_anc][k - 1];
                if (anc[v][k] != -1) {
                    // 최소값 갱신
                    if (min_t[v][k - 1] < min_t[mid_anc][k - 1])
                        min_t[v][k] = min_t[v][k - 1];
                    else
                        min_t[v][k] = min_t[mid_anc][k - 1];
                    // 최대값 갱신
                    if (max_t[v][k - 1] > max_t[mid_anc][k - 1])
                        max_t[v][k] = max_t[v][k - 1];
                    else
                        max_t[v][k] = max_t[mid_anc][k - 1];
                }
            }
        }
    }

    // 쿼리 처리
    int K;
    scanf("%d", &K);
    for (int i = 0; i < K; ++i) {
        int D, E;
        scanf("%d %d", &D, &E);
        int min_ans = 1e9 + 1;
        int max_ans = 0;

        if (depth[D] < depth[E]) {
            int temp = D;
            D = E;
            E = temp;
        }

        // 깊이를 동일하게 조정
        for (int k = MAXLOGN; k >= 0; --k) {
            if (anc[D][k] != -1 && depth[anc[D][k]] >= depth[E]) {
                if (min_t[D][k] < min_ans)
                    min_ans = min_t[D][k];
                if (max_t[D][k] > max_ans)
                    max_ans = max_t[D][k];
                D = anc[D][k];
            }
        }

        if (D == E) {
            printf("%d %d\n", min_ans, max_ans);
            continue;
        }

        // LCA 찾기
        for (int k = MAXLOGN; k >= 0; --k) {
            if (anc[D][k] != -1 && anc[D][k] != anc[E][k]) {
                if (min_t[D][k] < min_ans)
                    min_ans = min_t[D][k];
                if (min_t[E][k] < min_ans)
                    min_ans = min_t[E][k];
                if (max_t[D][k] > max_ans)
                    max_ans = max_t[D][k];
                if (max_t[E][k] > max_ans)
                    max_ans = max_t[E][k];
                D = anc[D][k];
                E = anc[E][k];
            }
        }

        // LCA의 바로 아래 간선 처리
        if (min_t[D][0] < min_ans)
            min_ans = min_t[D][0];
        if (min_t[E][0] < min_ans)
            min_ans = min_t[E][0];
        if (max_t[D][0] > max_ans)
            max_ans = max_t[D][0];
        if (max_t[E][0] > max_ans)
            max_ans = max_t[E][0];

        printf("%d %d\n", min_ans, max_ans);
    }

    return 0;
}

코드 설명

인접 리스트 구현:
- 표준 라이브러리를 사용할 수 없으므로, Edge 구조체와 연결 리스트를 사용하여 인접 리스트를 구현하였다.
- add_edge 함수를 통해 간선을 추가한다.
DFS 구현:
- dfs 함수에서 재귀적으로 트리를 탐색하며 깊이와 조상을 설정하고, 간선 가중치를 저장한다.
Sparse Table 구축 및 쿼리 처리:
- 최소값과 최대값을 갱신할 때 표준 라이브러리의 min, max 함수를 사용할 수 없으므로, 조건문을 사용하여 직접 구현하였다.
- 쿼리 처리 로직은 앞서 설명한 것과 동일하다.

결론

이 문제는 트리에서 두 노드 사이의 경로에서 최소 및 최대 간선 가중치를 빠르게 구해야 하는 전형적인 LCA 응용 문제이다. Binary Lifting과 Sparse Table을 사용하여 각 노드의 조상 정보를 미리 계산해 두면, 쿼리를 O(log N)에 처리할 수 있다.

이를 통해 시간 복잡도를 효율적으로 관리하여 큰 입력에서도 빠르게 답을 구할 수 있었다. 또한, C++ 표준 라이브러리를 사용하지 않고도 알고리즘을 구현하여 언어의 기본 기능만으로도 충분히 문제를 해결할 수 있음을 확인하였다.

추가적으로, 이와 유사한 유형의 문제를 많이 풀어봄으로써 트리에 대한 이해와 알고리즘 구현 능력을 향상시킬 수 있을 것이다. 최적화 측면에서는 메모리 사용량을 줄이거나 더 효율적인 자료 구조를 활용하는 방안을 고려해 볼 수 있다.