A general approach to solve subree distinct values queries!
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Hello Codeforces ,today I want to introduce a technique that can solve some problems related to distinct values queries on a subtree .The only way I know to solve array distinct values queries with updates is using MO's algorithm .The approach I will introduce can solve the subtree version of this problem online with updates in $O((N+Q)log^2(N))$.So let's get started.↵

**Prerequisites:**↵

1.Heavy light decomposition (it's enough to know how it works and how to implement it).↵

2.Lowest common ancestor.↵

3.Euler tours (not necessary for this specific problem but I will use it to prove some fact).↵

**Problem Statement:**↵

You are given a tree rooted at vertex 1. You have to perform two types of queries:↵

1 $i
 $ $val$ : update the value of node $i$ to $val$.↵

2 $u$ : output the sum of distinct values in the subtree of node $u$.↵

**Solution:**↵

Whenever you encounter such a strange problem try to make a shift in perspective .What is the first thing you thought when you have seen this problem? Euler tour? Persistent Segment trees? Isn't it similar to the array distinct values queries?↵
But wait ,I just said it's hard to solve this problem. Didn't I?↵

Can we change the problem into path queries problem?↵

Wait what are the nodes that are affected by an update?↵

I turns out that the affected nodes are all in a range on the ancestry path of the updated node .Don't it seem like a standard HLD problem?↵

Not yet .Here comes the idea .Consider our new problem:↵

We want to update the answers in a range on the ancestry path of a node .So ,where does this range end?↵
If we can figure out how to do this then the problem  becomes a standard path update and queries problem that can be easily solved using HLD .Now, here is the fun part.↵

Isn't it obvious the endpoint is the first node on the ancestry path that doesn't have an occurrence of $val$?↵

How can we find such a node? well this is the same as finding the first node on the path that have an occurrence then going down by one edge.↵

It turns out that this node is the first node that have the closest occurrence of $val$ in its subtree.↵
But what does it mean for a node to be be the closest?↵

Well ,let's consider this node to be the $lca$ of the updated node and the closet node since the $lca$ is the first node on the ancestry path from the updated node to the root .Now the problem boils down to finding the maximum depth $lca$ among all possible $lca$ s ,but how can we do this fast?↵

Well, if we maintain a map of sets that stores for each number the $time in$ s in DFS order for the nodes with a value equal to that number then the node we are searching for is the node with maximum depth among $lca($updated node ,the first node with time in bigger than  the $time in$ of the updated node $)$ and↵
$lca($updated node ,the first node with time in smaller than the $time in$ of the updated node $)$ .But why is this true in general?↵

**Proof of the above fact:**↵

Let's consider the case of (the first node with time in bigger than the time in of the updated node(let's call this node $u$)) then the second case will go through an identical reasoning.↵

Consider taking a node with a bigger time in than $u$ (let's call it $v$).↵

Let $x$ be the first node on the ancestry path then:↵

If a node $d$ is the closest node to $i$ then $d$ must be in the subtree of $x$.↵
Because $in[i]<in[u]<in[v]$ if $v$ was in the subtree of $x$ and $i$ was in the subtree of $x$ then also $u$ is in the subtree of $x$ .Thus taking $u$ is at least as optimal as taking node 
v$v$.↵

**Note** that there is a corner case when there is at least one occurrence of $val$ in the subtree of $i$ we don't update anything.↵

**Also** note that when we update a node we should remove the old value and add the new value but this is can be done in the same way the adding process is done thus I leave it as an exercise to the reader to check this.↵
  ↵
**A recap for what we did:**↵

You could reflect on how we transformed a subtree queries problem into a path queries problem which turns out to be much easier if we think that way. Then we used a fact that facilitates using the bruteforce approach by finding optimal values to try .↵

**Implementation:**↵

There are many implementation details that I skipped above but if you are curious here is my code:↵

<spoiler summary="Code">↵

```c++↵

#include <bits/stdc++.h>↵

using namespace std;↵
#define endl '\n'↵
#define ll long long↵
#define mid l+(r-l)/2↵
#define all(x) (x).begin(), (x).end()↵
#define F first↵
#define S second↵
vector<int>adj[100005];↵
ll a[100005];↵
ll ans[100005];↵
int sp[21][100005];↵
map<ll,set<pair<int,int>>>m;↵
set<ll> dfsc(int u,int v)↵
{↵
    set<ll>s;↵
    s.insert(a[u]);↵
    ll anss=a[u];↵
    for(auto x:adj[u])↵
    {↵
        if(x!=v)↵
        {↵
            set<ll>y=dfsc(x,u);↵
            if(y.size()>s.size())↵
            {↵
                swap(s,y);↵
                anss=ans[x];↵
            }↵
            for(auto z:y)↵
            {↵
                if(s.find(z)==s.end())↵
                {↵
                    s.insert(z);↵
                    anss+=z;↵
                }↵
            }↵
        }↵
    }↵
    ans[u]=anss;↵
    return s;↵
}↵
int sz[100005];↵
int nx[100005];↵
int dis[100005];↵
int in[100005];↵
int out[100005];↵
int tt=0;↵
void init(int u,int v)↵
{↵
    in[u]=++tt;↵
    sp[0][u]=v;↵
    m[a[u]].insert({in[u],u});↵
    sz[u]=1;↵
    int m=0;↵
    int j=0;↵
    nx[u]=u;↵
    for(auto x:adj[u])↵
        {↵
            if(x!=v)↵
                {↵
                    dis[x]=dis[u]+1;↵
                    init(x,u);↵
                    sz[u]+=sz[x];↵
                    if(sz[x]>m)↵
                    {↵
                        m=sz[x];↵
                        j=x;↵
                    }↵
                }↵
        }↵
    nx[u]=j;↵
    out[u]=tt;↵
}↵
int top[100005];↵
int chain[100005];↵
int chsz[100005];↵
int id[100005];↵
ll val[100005];↵
int k=0;↵
int c=1;↵
int n;↵
void hld(int u,int v)↵
{↵
    chain[u]=c;↵
    chsz[c]++;↵
    id[u]=++k;↵
    val[k]=ans[u];↵
    if(!top[c])↵
    {↵
        top[c]=u;↵
    }↵
    if(nx[u]!=u&&nx[u]!=0)↵
    {↵
        hld(nx[u],u);↵
        c++;↵
    }↵
    for(auto z:adj[u])↵
    {↵
        if(z!=v&&z!=nx[u])↵
        {↵
            hld(z,u);↵
            c++;↵
        }↵
    }↵
}↵
ll tree[400005];↵
ll lz[800005];↵
void propagate(int node,int l,int r)↵
{↵
ll z=r-l+1;↵
    tree[node]+=z*lz[node];↵
    lz[2*node]+=lz[node];↵
    lz[2*node+1]+=lz[node];↵
    lz[node]=0;↵
}↵
void build(int node,int l,int r)↵
{↵
    if(l==r)↵
    {↵
        tree[node]=val[l];↵
        return;↵
    }↵
    build(2*node,l,mid);↵
    build(2*node+1,mid+1,r);↵
    tree[node]=tree[2*node]+tree[2*node+1];↵
}↵
void update(int node,int l,int r,int s,int e,ll z)↵
{↵
    propagate(node,l,r);↵
    if(l>e||r<s)↵
        return;↵
    if(l>=s&&r<=e)↵
    {↵
        lz[node]+=z;↵
        propagate(node,l,r);↵
        return;↵
    }↵
    update(2*node,l,mid,s,e,z);↵
    update(2*node+1,mid+1,r,s,e,z);↵
    tree[node]=tree[2*node]+tree[2*node+1];↵
}↵
ll query(int node,int l,int r,int i)↵
{↵
    propagate(node,l,r);↵
    if(i<l||i>r)↵
        return 0;↵
    if(l==r)↵
        return tree[node];↵
    return query(2*node,l,mid,i)+query(2*node+1,mid+1,r,i);↵
}↵
ll ask(int node)↵
{↵
    return query(1,1,n,id[node]);↵
}↵
void upd(int u,int v,ll vx)↵
{↵
    while(chain[u]!=chain[v])↵
    {↵
        if(dis[top[chain[u]]]<dis[top[chain[v]]])↵
        {↵
            swap(u,v);↵
        }↵
        update(1,1,n,id[top[chain[u]]],id[u],vx);↵
        u=sp[0][top[chain[u]]];↵
    }↵
    if(dis[u]>dis[v])swap(u,v);↵
    update(1,1,n,id[u],id[v],vx);↵
}↵
int lca(int u,int v)↵
{↵
    if(dis[u]<dis[v])↵
        swap(u,v);↵
    int y=dis[u]-dis[v];↵
    for(int j=20;j>=0;j--)↵
    {↵
        if(y&(1<<j))↵
        {↵
            y-=(1<<j);↵
            u=sp[j][u];↵
        }↵
    }↵
    if(u==v)↵
        return u;↵
    for(int i=20;i>=0;i--)↵
    {↵
        int x=sp[i][u];↵
        int d=sp[i][v];↵
        if(x!=d)↵
        {↵
            u=x;↵
            v=d;↵
        }↵
    }↵
    return  sp[0][u];↵
}↵
int lift(int u,int d)↵
{↵
    for(int i=20;i>=0;i--)↵
    {↵
        if(d&(1<<i))↵
        {↵
            d-=(1<<i);↵
            u=sp[i][u];↵
        }↵
    }↵
    return u;↵
}↵
int main()↵
{↵
    ios_base::sync_with_stdio(0);↵
    cin.tie(0);↵
    cout.tie(0);↵
    int q;↵
    cin>>n>>q;↵
    for(int i=1;i<=n-1;i++)↵
    {↵
        int x,y;↵
        cin>>x>>y;↵
        adj[x].push_back(y);↵
        adj[y].push_back(x);↵
    }↵
    for(int i=1;i<=n;i++)↵
    {↵
        cin>>a[i];↵
        m[a[i]].insert({0,0});↵
    }↵
    dfsc(1,0);↵
    init(1,0);↵
    hld(1,0);↵
    build(1,1,n);↵
    for(int j=1;j<=20;j++)↵
    {↵
        for(int i=1;i<=n;i++)↵
        {↵
            sp[j][i]=sp[j-1][sp[j-1][i]];↵
        }↵
    }↵
    dis[0]=-1;↵
    while(q--)↵
    {↵
        int t;↵
        cin>>t;↵
        if(t==1)↵
        {↵
            int i;↵
            cin>>i;↵
            ll v;↵
            cin>>v;↵
            bool w=0;↵
            auto u=m[a[i]].find({in[i],i});↵
            int x1=0,x2=0;↵
            u--;↵
            if(u!=m[a[i]].begin())↵
            {↵
                x1=lca(i,(*u).S);↵
                if((*u).F>in[i]&&out[i]>=(*u).F)↵
                    w=1;↵
            }↵
            u++;↵
            u++;↵
            if(u!=m[a[i]].end())↵
            {↵
                if((*u).F>in[i]&&out[i]>=(*u).F)↵
                    w=1;↵
                x2=lca(i,(*u).S);↵
            }↵
            u--;↵
            if(dis[x1]<dis[x2])↵
                swap(x1,x2);↵
            if(!w)↵
            {↵
            x1=lift(i,dis[i]-dis[x1]-1);↵
            upd(i,x1,-a[i]);}↵
            m[a[i]].erase(u);↵
            a[i]=v;↵
            m[a[i]].insert({0,0});↵
            m[a[i]].insert({in[i],i});↵
            x1=0;↵
            x2=0;↵
            w=0;↵
            u=m[a[i]].find({in[i],i});↵
            u--;↵
            if(u!=m[a[i]].begin())↵
            {↵
                x1=lca(i,(*u).S);↵
                if((*u).F>in[i]&&out[i]>=(*u).F)↵
                    w=1;↵
            }↵
            u++;↵
            u++;↵
            if(u!=m[a[i]].end())↵
            {↵
                if((*u).F>in[i]&&out[i]>=(*u).F)↵
                    w=1;↵
                x2=lca(i,(*u).S);↵
            }↵
            u--;↵
            if(dis[x1]<dis[x2])↵
                swap(x1,x2);↵
            if(!w)↵
            {↵
            x1=lift(i,dis[i]-dis[x1]-1);↵
            upd(i,x1,a[i]);}↵
        }↵
        else{↵
            int x;↵
            cin>>x;↵
            cout<<ask(x)<<endl;↵
        }↵
    }↵
    return 0;↵
}↵
```↵
</spoiler>↵

I couldn't find any link for a problem that uses this technique so I made one .↵

link: [problem:521454A]↵

https://codeforces.net/contestInvitation/02c14ae6e9e06b8f0c6a3ce7eb957a1f3ba2f865↵

Another problem suggested by [user:asdasdqwer,2024-05-01] :https://dmoj.ca/problem/dmopc20c1p5↵

You can also optimize heavy light decomposition see https://codeforces.net/blog/entry/104997.↵

Thank you for reading my blog.↵

I spent a lot of time preparing this so I hope you loved it.↵

**P.S. This is my first educational blog .Sorry for long text :) .**↵

**Edit** I said at the beginning of the blog that this is pretty similar to the array distinct values queries task so I will put some resources in case if you want to learn more:↵

https://codeforces.net/blog/entry/10508?#comment-158835↵

https://codeforces.net/blog/entry/83630↵

Thanks to [user:VitalyKo,2024-05-01] for suggesting the resources.

History

 
 
 
 
Revisions
 
 
  Rev. Lang. By When Δ Comment
en14 English Haidora 2024-05-01 21:49:55 1 Tiny change: ' resources.' -> ' resources .'
en13 English Haidora 2024-05-01 16:42:24 2 Tiny change: '\n\n**Note** that th' -> '\n\n**Note :** that th'
en12 English Haidora 2024-05-01 15:06:42 4
en11 English Haidora 2024-05-01 14:26:30 355
en10 English Haidora 2024-05-01 12:13:53 6346 Tiny change: '\n...\n```\n#include' -> '\n...\n```c++\n#include'
en9 English Haidora 2024-05-01 11:34:08 98
en8 English Haidora 2024-05-01 11:27:03 4 Tiny change: 'tes in $O(Nlog^2(N))$' -> 'tes in $O((N+Q)log^2(N))$'
en7 English Haidora 2024-05-01 11:21:56 48
en6 English Haidora 2024-05-01 11:06:09 85
en5 English Haidora 2024-05-01 10:44:27 2
en4 English Haidora 2024-05-01 10:43:39 1 Tiny change: 'ed node$)$.But why i' -> 'ed node$)$ .But why i'
en3 English Haidora 2024-05-01 10:39:32 40
en2 English Haidora 2024-05-01 10:36:24 790 Tiny change: 'bles $lca$s ,but how' -> 'bles $lca$ s ,but how' (published)
en1 English Haidora 2024-05-01 10:08:59 4269 Initial revision (saved to drafts)