树的直径(树中最长路)的计算

树是一个连通图的结构,我们定义树中最长的路径为树的直径。

算法思路

对于边没有权重的树,我们可以从任意一点u出发进行广度优先搜索(bfs),找到离u最远的点s,s是最长路径的一个端点。以s为起点,再用一次bfs找到距离s最远的点t,则路径s-t为树中最长的路径,即树的直径。

证明

证明的思路主要是使用反证法。假设s-t为最长路径。

  1. 若u在s-t路径上
    若离u最远的点s’不在s-t路径的端点上,则有dis(u,s')>dis(u,s),进而有
    dis(t,s')=dis(t,u)+dis(u,s')>dis(t,u)+dis(u,s)=dis(t,s),即存在路径t-s’长于路径t-s,与假设矛盾。

  2. 若u不在s-t路径上
    若u不在路径s-t上,则有两种情况需要,一种是u为起点的最长路与s-t路径有交点,另一种是u为起点的最长路与s-t路径没有交点。
    (1)假设有交点,我们记交点为X。
    从X点进行分析,与讨论1相同,如果离u最远的点不是u-t路径的端点的话,则存在X-s’路径长于X-s路径,即存在路径t-X-s’长于路径s-t,与s-t是最长路径的假设矛盾。因此s’为u-t路径的端点。
    (2)假设两条路径没有交点
    对于u-t路径上的任意一个点X,我们都有dis(u,s')>dis(u,s)=dis(u,X)+dis(X,s),因此有
    dis(t,a)=dis(t,X)+dis(X,s)<dis(t,X)+dis(X,u)+dis(u,s'),即存在路径t-X-u-s’长于路径t-s,出现矛盾。因此两条路径必有交点。

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