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최소 공통 조상 (Lowest Common Ancestor)

· 수정 · 📖 약 4분 · 1,023자/단어 #algorithm #tree #lca #sparse-table #binary-lifting
LCA, 최소 공통 조상, lowest common ancestor

정의

최소 공통 조상 (LCA, Lowest Common Ancestor) 는 트리에서 두 노드 u, v 의 공통 조상 중 가장 깊은 (루트에서 가장 먼) 노드. Binary Lifting 기법으로 O((N + Q) log N) 에 전처리 + 쿼리 가능.

문제 상황과 동기

트리에서 “두 노드 사이의 경로 정보” 가 필요한 모든 상황.

  • naive: 각 쿼리마다 u, v 에서 루트까지 올라가며 처음 만나는 점 찾기. O(N · Q). N=Q=10^5 면 10^10.
  • binary lifting: O(N log N) 전처리 + O(log N) 쿼리. 총 O((N + Q) log N).

핵심 통찰: 부모를 2^k 번 거슬러 올라간 조상 을 미리 표로 만들면, 임의 높이 차를 O(log N) 비트 분해로 빠르게 맞출 수 있다.

시각화

핵심 아이디어

invariant: parent[u][k] = u 에서 2^k 번 조상. DP로 O(N log N) 전처리.

parent[u][0] = immediate parent of u
parent[u][k] = parent[parent[u][k-1]][k-1]   for k ≥ 1

두 노드 u, v 의 LCA:

  1. depth[u] ≥ depth[v] 로 swap.
  2. u 를 binary lifting 으로 v 와 같은 depth 로 올림.
  3. u, v 가 같으면 그것이 LCA. 다르면 둘 다 LCA 바로 아래 까지 함께 올림.
  4. 최종 부모가 LCA.

알고리즘

preprocess(root):
    DFS(root, -1, 0)                # depth, parent 계산
    logN = ceil(log2(N))
    for k = 1..logN:
        for u = 0..N-1:
            if parent[u][k-1] != -1:
                parent[u][k] = parent[parent[u][k-1]][k-1]

lca(u, v):
    if depth[u] < depth[v]: swap(u, v)
    diff = depth[u] - depth[v]
    for k in bits_of(diff):         # u 를 v depth 로
        u = parent[u][k]
    if u == v: return u
    for k = logN..0:                # 공통 조상 바로 아래로
        if parent[u][k] != parent[v][k]:
            u = parent[u][k]
            v = parent[v][k]
    return parent[u][0]

구현

// Binary Lifting LCA, O((N + Q) log N)
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int MAXN = 1e5, LOG = 17;
vector<int> adj[MAXN];
int parent[MAXN][LOG], depth[MAXN];
int N;

void dfs(int u, int p, int d) {
  parent[u][0] = p;
  depth[u] = d;
  for (int v : adj[u]) if (v != p) dfs(v, u, d + 1);
}

void build() {
  dfs(0, -1, 0);
  for (int k = 1; k < LOG; k++)
      for (int u = 0; u < N; u++)
          if (parent[u][k-1] != -1)
              parent[u][k] = parent[parent[u][k-1]][k-1];
          else parent[u][k] = -1;
}

int lca(int u, int v) {
  if (depth[u] < depth[v]) swap(u, v);
  int diff = depth[u] - depth[v];
  for (int k = 0; k < LOG; k++)
      if (diff & (1 << k)) u = parent[u][k];
  if (u == v) return u;
  for (int k = LOG - 1; k >= 0; k--)
      if (parent[u][k] != parent[v][k]) {
          u = parent[u][k]; v = parent[v][k];
      }
  return parent[u][0];
}

int main() {
  int Q; cin >> N >> Q;
  for (int i = 0; i < N - 1; i++) {
      int a, b; cin >> a >> b; a--; b--;
      adj[a].push_back(b); adj[b].push_back(a);
  }
  build();
  while (Q--) {
      int u, v; cin >> u >> v; u--; v--;
      cout << lca(u, v) + 1 << "\n";
  }
}
stdin
7 3
1 2
1 3
2 4
2 5
3 6
3 7
4 5
4 7
5 6
결과
2
1
3

복잡도

항목
전처리O(N log N) 시간, O(N log N) 공간
쿼리O(log N) 시간
전체O((N + Q) log N)

변형 / 활용

기법복잡도비고
Tarjan offline LCAO(N + Q · α(N))Union-Find, 쿼리 일괄
RMQ on Euler TourO(N log N) 전처리 + O(1) 쿼리[[Sparse Table
Heavy-Light DecompositionO(log^2 N) 쿼리경로 쿼리 일반화
Link-Cut TreeO(log N) amortized동적 트리

트리 거리: dist(u, v) = depth[u] + depth[v] - 2 * depth[lca(u, v)].

k-th ancestor: binary lifting 으로 u 에서 k 번 조상 = k 를 비트 분해, O(log N).

경로 쿼리: u-v 경로 위 노드 정보 (합, 최댓값 등) = u → lca + lca → v 두 경로.

함정

1. depth 정렬 안 하고 바로 lifting

depth[u] < depth[v] 일 때 u 를 lifting 하면 틀림. 반드시 더 깊은 노드를 먼저 올려야.

2. parent[u][k] 범위 벗어남

logN 을 ceil(log2(N)) 로 잡아야. LOG = 20 고정은 N ≤ 2^20 만 안전.

3. 루트가 0 이 아닐 때

문제에서 루트를 따로 주면 그 노드부터 DFS.

4. 1-indexed 입력

노드 번호 입력이 1-indexed 면 a--; b--; 필수. 출력도 + 1.

BOJ 연습 문제

번호제목정답률링크
BOJ 11437LCA-kokoa-lab
BOJ 11438LCA 2-kokoa-lab
BOJ 1761정점들의 거리-kokoa-lab
BOJ 3176도로 네트워크-kokoa-lab

참고

이 글의 용어 (3개)
오일러 투어 테크닉 (Euler Tour Technique)algorithm
정의 오일러 투어 테크닉 (ETT, Euler Tour Technique) 은 트리를 DFS 방문 순서로 펼쳐 서브트리 쿼리를 구간 쿼리로 변환하는 정형. 각 노드 u 의 in-…
트리의 지름 (Tree Diameter)algorithm
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희소 배열 (Sparse Table)algorithm
정의 희소 배열 (Sparse Table) 은 정적 배열에서 결합 법칙을 만족하는 idempotent 연산 (min, max, gcd, lcm 등) 의 구간 쿼리를 O(1) 시간…

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