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====== 最小斯坦纳树 ======

===== 算法简介 =====

一种用于计算只含图中部分关键节点的最小生成树的算法。

===== 算法实现 =====

考虑状压 $\text{dp}$，第一维表示当前包含节点的点集，第二维表示树根节点。考虑两步转移

$$
\text{dp}(s,u)\gets \min_{k\subset s}(\text{dp}(k,u)+\text{dp}(s\oplus k,u))
$$

$$
\text{dp}(s,u)\gets \min(\text{dp}(s,u),\text{dp}(s,v)+w)
$$

时间复杂度据说是 $O(2^kn^3+3^kn)$。

===== 算法模板 =====

==== $\text{spfa}$ 版本 ====

<code cpp>
namespace SteinerTree{
	int n,k,dp[1<<MAXK][MAXN];
	bool inque[MAXN];
	void spfa(int S){
		queue<int>q;
		_rep(i,1,n){
			if(dp[S][i]!=Inf){
				q.push(i);
				inque[i]=true;
			}
		}
		while(!q.empty()){
			int u=q.front();q.pop();
			inque[u]=false;
			for(int i=head[u];i;i=edge[i].next){
				int v=edge[i].to;
				if(dp[S][u]+edge[i].w<dp[S][v]){
					dp[S][v]=dp[S][u]+edge[i].w;
					if(!inque[v]){
						q.push(v);
						inque[v]=true;
					}
				}
			}
		}
	}
	int build(int Node_cnt,int Keynode_cnt,int *key_node){
		n=Node_cnt,k=Keynode_cnt;
		_for(i,1,1<<k)_rep(j,1,n)
		dp[i][j]=Inf;
		_for(i,0,k)
		dp[1<<i][key_node[i]]=0;
		_for(i,0,1<<k){
			_rep(j,1,n){
				for(int k=i&(i-1);k;k=(k-1)&i)
				dp[i][j]=min(dp[i][j],dp[k][j]+dp[i^k][j]);
			}
			spfa(i);
		}
		int ans=Inf;
		_rep(i,1,n)
		ans=min(ans,dp[(1<<k)-1][i]);
		return ans;
	}
}
</code>

==== $\text{dijkstra}$ 版本 ====

<code cpp>
namespace SteinerTree{
	int n,k,dp[1<<MAXK][MAXN];
	bool vis[MAXN];
	void dijkstra(int S){
		priority_queue<pair<int,int>,vector<pair<int,int> >,greater<pair<int,int> > >q;
		_rep(i,1,n){
			vis[i]=false;
			if(dp[S][i]!=Inf)
			q.push(make_pair(dp[S][i],i));
		}
		while(!q.empty()){
			int u=q.top().second;q.pop();
			if(vis[u])continue;
			vis[u]=true;
			for(int i=head[u];i;i=edge[i].next){
				int v=edge[i].to;
				if(dp[S][u]+edge[i].w<dp[S][v]){
					dp[S][v]=dp[S][u]+edge[i].w;
					q.push(make_pair(dp[S][v],v));
				}
			}
		}
	}
	int build(int Node_cnt,int Keynode_cnt,int *key_node){
		n=Node_cnt,k=Keynode_cnt;
		_for(i,1,1<<k)_rep(j,1,n)
		dp[i][j]=Inf;
		_for(i,0,k)
		dp[1<<i][key_node[i]]=0;
		_for(i,0,1<<k){
			_rep(j,1,n){
				for(int k=i&(i-1);k;k=(k-1)&i)
				dp[i][j]=min(dp[i][j],dp[k][j]+dp[i^k][j]);
			}
			dijkstra(i);
		}
		int ans=Inf;
		_rep(i,1,n)
		ans=min(ans,dp[(1<<k)-1][i]);
		return ans;
	}
}
</code>

===== 算法习题 =====

==== 习题一 ====

[[https://www.luogu.com.cn/problem/P6192|洛谷p6192]]

=== 题意 ===

给定一个图，图中有 $p$ 个关键点，每个关键点有一个类型 $c_i$，求一个边权最小的子图使得要求所有 $c_i$ 相同的关键点连通。

=== 题解 ===

先对所有关键点跑一遍最小斯坦纳树，接下来设 $g(s)$ 表示类型集合二进制表示为 $s$ 的所有关键点连通的最小费用。

设 $s'$ 表示所有 $1\le i\le p$ 且 $c_i\in s$ 构成的集合的二进制表示，则 $g(s)$ 的初始值为 $\min_{1\le u\le n}dp(s',u)$

接下来跑一遍 $g(s)\gets \min_{k\subset s}(g(k)+g(s\oplus k))$ 即可，时间复杂度等于最小斯坦纳树时间复杂度。

<hidden 查看代码>
<code cpp>
const int MAXN=1005,MAXM=3005,MAXK=10,Inf=1e9;
int head[MAXN],edge_cnt,key_node[MAXK];
struct Edge{
	int to,next,w;
}edge[MAXM<<1];
void Insert(int u,int v,int w){
	edge[++edge_cnt]=Edge{v,head[u],w};
	head[u]=edge_cnt;
}
namespace SteinerTree{
	int n,k,dp[1<<MAXK][MAXN];
	bool inque[MAXN];
	void spfa(int S){
		queue<int>q;
		_rep(i,1,n){
			if(dp[S][i]!=Inf){
				q.push(i);
				inque[i]=true;
			}
		}
		while(!q.empty()){
			int u=q.front();q.pop();
			inque[u]=false;
			for(int i=head[u];i;i=edge[i].next){
				int v=edge[i].to;
				if(dp[S][u]+edge[i].w<dp[S][v]){
					dp[S][v]=dp[S][u]+edge[i].w;
					if(!inque[v]){
						q.push(v);
						inque[v]=true;
					}
				}
			}
		}
	}
	int build(int Node_cnt,int Keynode_cnt,int *key_node){
		n=Node_cnt,k=Keynode_cnt;
		_for(i,1,1<<MAXK)_rep(j,1,n)
		dp[i][j]=Inf;
		_for(i,0,k)
		dp[1<<i][key_node[i]]=0;
		_for(i,0,1<<k){
			_rep(j,1,n){
				for(int k=i&(i-1);k;k=(k-1)&i)
				dp[i][j]=min(dp[i][j],dp[k][j]+dp[i^k][j]);
			}
			spfa(i);
		}
		int ans=Inf;
		_rep(i,1,n)
		ans=min(ans,dp[(1<<k)-1][i]);
		return ans;
	}
}
vector<int> Node[MAXK];
int g[1<<MAXK];
int main()
{
	int n=read_int(),m=read_int(),p=read_int();
	while(m--){
		int u=read_int(),v=read_int(),w=read_int();
		Insert(u,v,w);Insert(v,u,w);
	}
	_for(i,0,p){
		int c=read_int(),d=read_int();
		Node[c-1].push_back(i);
		key_node[i]=d;
	}
	SteinerTree::build(n,p,key_node);
	_for(i,1,1<<MAXK){
		int s=0;
		_for(j,0,MAXK){
			if((i>>j)&1) _for(k,0,Node[j].size())
			s|=(1<<Node[j][k]);
		}
		g[i]=Inf;
		_rep(j,1,n)
		g[i]=min(g[i],SteinerTree::dp[s][j]);
	}
	_for(i,1,1<<MAXK){
		for(int j=i&(i-1);j;j=(j-1)&i)
		g[i]=min(g[i],g[j]+g[i^j]);
	}
	enter(g[(1<<MAXK)-1]);
	return 0;
}
</code>
</hidden>
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