Loading docs/ds/binary-heap.md +1 −3 Original line number Diff line number Diff line ### 结构 从二叉堆的结构说起,它是一棵二叉树,并且是完全二叉树,每个结点中存有一个元素(或者说,有个权值)。 Loading docs/ds/heap.md +9 −9 Original line number Diff line number Diff line Loading @@ -10,8 +10,8 @@ ## 堆的分类 | 操作\数据结构 | 配对堆 | 二叉堆 | 左偏树 | 二项堆 | 斐波那契堆 | | :-----------------------------: | :----------------------------------------------------------: | :------------------: | :------------------: | :------------------: | -------------------- | | 操作 \\ 数据结构 | 配对堆 | 二叉堆 | 左偏树 | 二项堆 | 斐波那契堆 | | :---------------------: | :-----------------------------------------------------------------------: | :------------: | :------------: | :-----------: | ------------- | | 插入(insert) | $O(1)$ | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ | $O(1)$ | | 查询最小值(find-min) | $O(1)$ | $O(1)$ | $O(1)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ | | 删除最小值(delete-min) | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | Loading docs/ds/pairing-heap.md +104 −116 Original line number Diff line number Diff line ### 简介   配对堆是一个支持插入,查询/删除最小值,合并,修改元素等操作的数据结构,也就是俗称的可并堆。   配对堆在 OI 界十分的冷门,但其实跑得比较快,也很好写,但不能可持久化,因为配对堆复杂度是势能分析出来的均摊复杂度。 配对堆是一个支持插入,查询/删除最小值,合并,修改元素等操作的数据结构,也就是俗称的可并堆。 配对堆在 OI 界十分的冷门,但其实跑得比较快,也很好写,但不能可持久化,因为配对堆复杂度是势能分析出来的均摊复杂度。 ### 定义   这里给出一个较为简单的定义,严谨的定义可以查阅参考文献[4]。   配对堆是一棵带权多叉树(如下图),其权值满足堆性质(即每个节点的权值都小于他的所有儿子)。 这里给出一个较为简单的定义,严谨的定义可以查阅参考文献[4]。 配对堆是一棵带权多叉树(如下图),其权值满足堆性质(即每个节点的权值都小于他的所有儿子)。    通常我们使用左儿子右兄弟表示法储存一个配对堆(如下图),从下文可以看出这种方式可以方便配对堆的实现。 通常我们使用左儿子右兄弟表示法储存一个配对堆(如下图),从下文可以看出这种方式可以方便配对堆的实现。  Loading @@ -17,31 +17,28 @@ #### 存储结构定 义   就是普通的带权多叉树的表示方式。 就是普通的带权多叉树的表示方式。 ```cpp struct Node { struct Node { T v; // T为权值类型 Node *ch, *xd; // ch为该节点儿子的指针,xd为该节点兄弟的指针。 //若该节点没有儿子/兄弟则指针指向虚拟空节点。 }; ``` #### 查询最小值   从配对堆的定义可看出,配对堆的根节点的权值一定最小,所以我们直接返回根节点就行了。 从配对堆的定义可看出,配对堆的根节点的权值一定最小,所以我们直接返回根节点就行了。 #### 合并   配对堆的合并操作极为简单,直接把根节点权值较大的那个配对堆设成另一个的儿子就好了。(如下图) 配对堆的合并操作极为简单,直接把根节点权值较大的那个配对堆设成另一个的儿子就好了。(如下图)    复杂度的话,操作本身显然是 $O(1)$ 的,考虑到对势能的影响后还是均摊 $O(1)$ 复杂度的话,操作本身显然是 $O(1)$ 的,考虑到对势能的影响后还是均摊 $O(1)$ ```cpp Node* merge(Node* a,Node* b) { Node* merge(Node* a, Node* b) { // 若有一个为空则直接返回另一个 if (a == node) return b; if (b == node) return a; Loading @@ -55,47 +52,44 @@ Node* merge(Node* a,Node* b) #### 插入   合并都有了,插入就直接把新元素视为一个新的配对堆和原堆合并就行啦。 合并都有了,插入就直接把新元素视为一个新的配对堆和原堆合并就行啦。 #### 删除最小值   到这里我们会发现,前面的几个操作都十分偷懒,几乎完全没有对数据结构进行维护,所以删除最小值是配对堆最重要的(也是最复杂)的一个操作。   考虑我们拿掉根节点之后会发生什么,根节点原来的所有儿子构成了一片森林,所以我们要把他们合并起来。   一个很自然的想法是使用 ``merge`` 函数把儿子们一个一个并在一起,这样做的话正确性是显然的,但是会导致复杂度退化到 $O(n)$。为了保证删除操作的均摊复杂度为 $O(\log n)$,我们需要:把儿子们两两配成一对,先用 ``merge`` 操作把被配成同一对的两个儿子合并到一起(见下图1),再按上述方法将新产生的堆暴力合并在一起(见下图2)。   到这里我们会发现,前面的几个操作都十分偷懒,几乎完全没有对数据结构进行维护,所以删除最小值是配对堆最重要的(也是最复杂)的一个操作。 考虑我们拿掉根节点之后会发生什么,根节点原来的所有儿子构成了一片森林,所以我们要把他们合并起来。 一个很自然的想法是使用 `merge` 函数把儿子们一个一个并在一起,这样做的话正确性是显然的,但是会导致复杂度退化到 $O(n)$ 。为了保证删除操作的均摊复杂度为 $O(\log n)$ ,我们需要:把儿子们两两配成一对,先用 `merge` 操作把被配成同一对的两个儿子合并到一起(见下图 1),再按上述方法将新产生的堆暴力合并在一起(见下图 2)。   先实现一个辅助函数``merges``,作用是合并一个节点的所有兄弟。 先实现一个辅助函数 `merges` ,作用是合并一个节点的所有兄弟。 ##### 递归版本的 merges(推荐)   实现上,推荐使用这种好写的递归式实现。 实现上,推荐使用这种好写的递归式实现。 ```cpp Node* merges(Node* x) { if (x==node || x->xd==node) return x; //如果该树为空或他没有兄弟(即他的父亲的儿子数小于2),就直接return。 Node* merges(Node* x) { if (x == node || x->xd == node) return x; //如果该树为空或他没有兄弟(即他的父亲的儿子数小于2),就直接return。 Node *a = x->xd, *b = a->xd; // a:x的一个兄弟,b:x的另一个兄弟 x->xd = a->xd = node; //拆散 return merge(merge(x, a), merges(b)); //核心部分 } ```   最后一句话是该函数的核心,这句话分三部分: 最后一句话是该函数的核心,这句话分三部分: 1. ``merge(x,a)``“配对”了x和a。 2. ``merges(b)``递归合并b和他的兄弟们。 1. `merge(x,a)` “配对”了 x 和 a。 2. `merges(b)` 递归合并 b 和他的兄弟们。 3. 将上面 2 个操作产生的 2 个新树合并。 ##### 迭代版本的 merges   迭代版本不仅不好写,而且实现不优越的话还不一定比递归版快(下面这个就是不优越的实现,跑的不比上面的递归版本快),所以更推荐写递归版。 迭代版本不仅不好写,而且实现不优越的话还不一定比递归版快(下面这个就是不优越的实现,跑的不比上面的递归版本快),所以更推荐写递归版。 ```cpp Node *merges(Node *x) { Node* t=x; x=x->xd; Node* merges(Node* x) { Node* t = x; x = x->xd; t->xd = node; while (x->xd != node) { Node *a = x->xd, *b = a->xd; Loading @@ -105,42 +99,36 @@ Node *merges(Node *x) } return merge(t, x); } ```    然后 ``delete-min`` 操作就显然了。(因为这个封装实在没啥用,实际在实现时中一般不显式写出这个函数) 然后 `delete-min` 操作就显然了。(因为这个封装实在没啥用,实际在实现时中一般不显式写出这个函数) ```cpp Node* delete_min(Node* x) { return merges(x->ch); } Node* delete_min(Node* x) { return merges(x->ch); } ``` #### 减小一个元素的值   要实现这个操作,需要给节点添加一个 father 指针,会使实现变得相对复杂。   首先节点的定义修改为: 要实现这个操作,需要给节点添加一个 father 指针,会使实现变得相对复杂。 首先节点的定义修改为: ```cpp struct Node { struct Node { T v; Node *ch, *xd; Node *fa; //新增:fa指针,指向该节点的父亲,若该节点为根节点则指向虚拟空节点 }; ```   ``merge`` 操作修改为: `merge` 操作修改为: ```cpp Node* merge(Node* a,Node* b) { Node* merge(Node* a, Node* b) { if (a == node) return b; if (b == node) return a; if (a->v > b->v) swap(a, b); a->fa=node; b->fa=node; //新增:维护fa指针 a->fa = node; b->fa = node; //新增:维护fa指针 b->xd = a->ch; a->ch->fa = b; //新增:维护fa指针 a->ch = b; Loading @@ -148,11 +136,10 @@ Node* merge(Node* a,Node* b) } ```   ``merges`` 操作修改为: `merges` 操作修改为: ```cpp Node* merges(Node* x) { Node* merges(Node* x) { x->fa = node; //新增:维护fa指针 if (x == node || x->xd == node) return x; Node *a = x->xd, *b = a->xd; Loading @@ -162,31 +149,32 @@ Node* merges(Node* x) } ```   现在我们来考虑如何实现 ``decrease-key`` 操作。   首先我们发现,当我们对节点x进行 ``decrease-key`` 操作后,以 $x$ 为根的子树仍然满足配对堆性质,但 $x$的父亲和 $x$ 之间可能不再满足堆性质。   因此我们可以把整棵以 $x$ 为根的子树剖出来,这样现在两棵树都符合配对堆性质了,再把他们 ``merge`` 起来就做完了。   这个操作本身复杂度显然为 $O(1)$,但会破坏原有的势能分析过程,因此均摊复杂度难以证明(目前学术界还无法给出复杂度的精确值),通常可以简单的认为复杂度为 $o(\log n)$(注意这里为小o)。 现在我们来考虑如何实现 `decrease-key` 操作。 首先我们发现,当我们对节点 x 进行 `decrease-key` 操作后,以 $x$ 为根的子树仍然满足配对堆性质,但 $x$ 的父亲和 $x$ 之间可能不再满足堆性质。 因此我们可以把整棵以 $x$ 为根的子树剖出来,这样现在两棵树都符合配对堆性质了,再把他们 `merge` 起来就做完了。 这个操作本身复杂度显然为 $O(1)$ ,但会破坏原有的势能分析过程,因此均摊复杂度难以证明(目前学术界还无法给出复杂度的精确值),通常可以简单的认为复杂度为 $o(\log n)$ (注意这里为小 o)。 ```cpp // root为堆的根,x为要操作的节点,v为新的权值,调用时需保证x->v<=v //返回值为新的根节点 Node* decrease-key(Node* root,Node* x,LL v) { Node* decrease - key(Node* root, Node* x, LL v) { x->v = v; //修改权值 if (x->fa == node) return x; //如果x为根,就不用接下去的步骤了。 //把x从fa的子节点中剖出去,这里要分x的位置讨论一下。 if (x->fa->ch==x) x->fa->ch=x->xd; else x->fa->xd=x->xd; if (x->fa->ch == x) x->fa->ch = x->xd; else x->fa->xd = x->xd; x->xd->fa = x->fa; x->xd=node; x->fa=node; x->xd = node; x->fa = node; return merge(root, x); //合并root和x。 } ``` ### 复杂度分析   见[配对堆的论文](http://www.cs.cmu.edu/~sleator/papers/pairing-heaps.pdf)。 见[配对堆的论文](http://www.cs.cmu.edu/~sleator/papers/pairing-heaps.pdf)。 ### 参考文献 Loading @@ -194,5 +182,5 @@ Node* decrease-key(Node* root,Node* x,LL v) 2. 集训队论文《黄源河 -- 左偏树的特点及其应用》 3. [《配对堆中文版》](https://wenku.baidu.com/view/f2527bc2bb4cf7ec4afed06d.html) 4. [维基百科 pairing heap 词条](https://en.wikipedia.org/wiki/Pairing_heap) 5. https://blog.csdn.net/luofeixiongsix/article/details/50640668 6. https://brilliant.org/wiki/pairing-heap/ (注:本条目所有图片均来自这里) 5. <https://blog.csdn.net/luofeixiongsix/article/details/50640668> 6. <https://brilliant.org/wiki/pairing-heap/>(注:本条目所有图片均来自这里) Loading
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docs/ds/heap.md +9 −9 Original line number Diff line number Diff line Loading @@ -10,8 +10,8 @@ ## 堆的分类 | 操作\数据结构 | 配对堆 | 二叉堆 | 左偏树 | 二项堆 | 斐波那契堆 | | :-----------------------------: | :----------------------------------------------------------: | :------------------: | :------------------: | :------------------: | -------------------- | | 操作 \\ 数据结构 | 配对堆 | 二叉堆 | 左偏树 | 二项堆 | 斐波那契堆 | | :---------------------: | :-----------------------------------------------------------------------: | :------------: | :------------: | :-----------: | ------------- | | 插入(insert) | $O(1)$ | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ | $O(1)$ | | 查询最小值(find-min) | $O(1)$ | $O(1)$ | $O(1)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ | | 删除最小值(delete-min) | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | $O(\log n)$ | Loading
docs/ds/pairing-heap.md +104 −116 Original line number Diff line number Diff line ### 简介   配对堆是一个支持插入,查询/删除最小值,合并,修改元素等操作的数据结构,也就是俗称的可并堆。   配对堆在 OI 界十分的冷门,但其实跑得比较快,也很好写,但不能可持久化,因为配对堆复杂度是势能分析出来的均摊复杂度。 配对堆是一个支持插入,查询/删除最小值,合并,修改元素等操作的数据结构,也就是俗称的可并堆。 配对堆在 OI 界十分的冷门,但其实跑得比较快,也很好写,但不能可持久化,因为配对堆复杂度是势能分析出来的均摊复杂度。 ### 定义   这里给出一个较为简单的定义,严谨的定义可以查阅参考文献[4]。   配对堆是一棵带权多叉树(如下图),其权值满足堆性质(即每个节点的权值都小于他的所有儿子)。 这里给出一个较为简单的定义,严谨的定义可以查阅参考文献[4]。 配对堆是一棵带权多叉树(如下图),其权值满足堆性质(即每个节点的权值都小于他的所有儿子)。    通常我们使用左儿子右兄弟表示法储存一个配对堆(如下图),从下文可以看出这种方式可以方便配对堆的实现。 通常我们使用左儿子右兄弟表示法储存一个配对堆(如下图),从下文可以看出这种方式可以方便配对堆的实现。  Loading @@ -17,31 +17,28 @@ #### 存储结构定 义   就是普通的带权多叉树的表示方式。 就是普通的带权多叉树的表示方式。 ```cpp struct Node { struct Node { T v; // T为权值类型 Node *ch, *xd; // ch为该节点儿子的指针,xd为该节点兄弟的指针。 //若该节点没有儿子/兄弟则指针指向虚拟空节点。 }; ``` #### 查询最小值   从配对堆的定义可看出,配对堆的根节点的权值一定最小,所以我们直接返回根节点就行了。 从配对堆的定义可看出,配对堆的根节点的权值一定最小,所以我们直接返回根节点就行了。 #### 合并   配对堆的合并操作极为简单,直接把根节点权值较大的那个配对堆设成另一个的儿子就好了。(如下图) 配对堆的合并操作极为简单,直接把根节点权值较大的那个配对堆设成另一个的儿子就好了。(如下图)    复杂度的话,操作本身显然是 $O(1)$ 的,考虑到对势能的影响后还是均摊 $O(1)$ 复杂度的话,操作本身显然是 $O(1)$ 的,考虑到对势能的影响后还是均摊 $O(1)$ ```cpp Node* merge(Node* a,Node* b) { Node* merge(Node* a, Node* b) { // 若有一个为空则直接返回另一个 if (a == node) return b; if (b == node) return a; Loading @@ -55,47 +52,44 @@ Node* merge(Node* a,Node* b) #### 插入   合并都有了,插入就直接把新元素视为一个新的配对堆和原堆合并就行啦。 合并都有了,插入就直接把新元素视为一个新的配对堆和原堆合并就行啦。 #### 删除最小值   到这里我们会发现,前面的几个操作都十分偷懒,几乎完全没有对数据结构进行维护,所以删除最小值是配对堆最重要的(也是最复杂)的一个操作。   考虑我们拿掉根节点之后会发生什么,根节点原来的所有儿子构成了一片森林,所以我们要把他们合并起来。   一个很自然的想法是使用 ``merge`` 函数把儿子们一个一个并在一起,这样做的话正确性是显然的,但是会导致复杂度退化到 $O(n)$。为了保证删除操作的均摊复杂度为 $O(\log n)$,我们需要:把儿子们两两配成一对,先用 ``merge`` 操作把被配成同一对的两个儿子合并到一起(见下图1),再按上述方法将新产生的堆暴力合并在一起(见下图2)。   到这里我们会发现,前面的几个操作都十分偷懒,几乎完全没有对数据结构进行维护,所以删除最小值是配对堆最重要的(也是最复杂)的一个操作。 考虑我们拿掉根节点之后会发生什么,根节点原来的所有儿子构成了一片森林,所以我们要把他们合并起来。 一个很自然的想法是使用 `merge` 函数把儿子们一个一个并在一起,这样做的话正确性是显然的,但是会导致复杂度退化到 $O(n)$ 。为了保证删除操作的均摊复杂度为 $O(\log n)$ ,我们需要:把儿子们两两配成一对,先用 `merge` 操作把被配成同一对的两个儿子合并到一起(见下图 1),再按上述方法将新产生的堆暴力合并在一起(见下图 2)。   先实现一个辅助函数``merges``,作用是合并一个节点的所有兄弟。 先实现一个辅助函数 `merges` ,作用是合并一个节点的所有兄弟。 ##### 递归版本的 merges(推荐)   实现上,推荐使用这种好写的递归式实现。 实现上,推荐使用这种好写的递归式实现。 ```cpp Node* merges(Node* x) { if (x==node || x->xd==node) return x; //如果该树为空或他没有兄弟(即他的父亲的儿子数小于2),就直接return。 Node* merges(Node* x) { if (x == node || x->xd == node) return x; //如果该树为空或他没有兄弟(即他的父亲的儿子数小于2),就直接return。 Node *a = x->xd, *b = a->xd; // a:x的一个兄弟,b:x的另一个兄弟 x->xd = a->xd = node; //拆散 return merge(merge(x, a), merges(b)); //核心部分 } ```   最后一句话是该函数的核心,这句话分三部分: 最后一句话是该函数的核心,这句话分三部分: 1. ``merge(x,a)``“配对”了x和a。 2. ``merges(b)``递归合并b和他的兄弟们。 1. `merge(x,a)` “配对”了 x 和 a。 2. `merges(b)` 递归合并 b 和他的兄弟们。 3. 将上面 2 个操作产生的 2 个新树合并。 ##### 迭代版本的 merges   迭代版本不仅不好写,而且实现不优越的话还不一定比递归版快(下面这个就是不优越的实现,跑的不比上面的递归版本快),所以更推荐写递归版。 迭代版本不仅不好写,而且实现不优越的话还不一定比递归版快(下面这个就是不优越的实现,跑的不比上面的递归版本快),所以更推荐写递归版。 ```cpp Node *merges(Node *x) { Node* t=x; x=x->xd; Node* merges(Node* x) { Node* t = x; x = x->xd; t->xd = node; while (x->xd != node) { Node *a = x->xd, *b = a->xd; Loading @@ -105,42 +99,36 @@ Node *merges(Node *x) } return merge(t, x); } ```    然后 ``delete-min`` 操作就显然了。(因为这个封装实在没啥用,实际在实现时中一般不显式写出这个函数) 然后 `delete-min` 操作就显然了。(因为这个封装实在没啥用,实际在实现时中一般不显式写出这个函数) ```cpp Node* delete_min(Node* x) { return merges(x->ch); } Node* delete_min(Node* x) { return merges(x->ch); } ``` #### 减小一个元素的值   要实现这个操作,需要给节点添加一个 father 指针,会使实现变得相对复杂。   首先节点的定义修改为: 要实现这个操作,需要给节点添加一个 father 指针,会使实现变得相对复杂。 首先节点的定义修改为: ```cpp struct Node { struct Node { T v; Node *ch, *xd; Node *fa; //新增:fa指针,指向该节点的父亲,若该节点为根节点则指向虚拟空节点 }; ```   ``merge`` 操作修改为: `merge` 操作修改为: ```cpp Node* merge(Node* a,Node* b) { Node* merge(Node* a, Node* b) { if (a == node) return b; if (b == node) return a; if (a->v > b->v) swap(a, b); a->fa=node; b->fa=node; //新增:维护fa指针 a->fa = node; b->fa = node; //新增:维护fa指针 b->xd = a->ch; a->ch->fa = b; //新增:维护fa指针 a->ch = b; Loading @@ -148,11 +136,10 @@ Node* merge(Node* a,Node* b) } ```   ``merges`` 操作修改为: `merges` 操作修改为: ```cpp Node* merges(Node* x) { Node* merges(Node* x) { x->fa = node; //新增:维护fa指针 if (x == node || x->xd == node) return x; Node *a = x->xd, *b = a->xd; Loading @@ -162,31 +149,32 @@ Node* merges(Node* x) } ```   现在我们来考虑如何实现 ``decrease-key`` 操作。   首先我们发现,当我们对节点x进行 ``decrease-key`` 操作后,以 $x$ 为根的子树仍然满足配对堆性质,但 $x$的父亲和 $x$ 之间可能不再满足堆性质。   因此我们可以把整棵以 $x$ 为根的子树剖出来,这样现在两棵树都符合配对堆性质了,再把他们 ``merge`` 起来就做完了。   这个操作本身复杂度显然为 $O(1)$,但会破坏原有的势能分析过程,因此均摊复杂度难以证明(目前学术界还无法给出复杂度的精确值),通常可以简单的认为复杂度为 $o(\log n)$(注意这里为小o)。 现在我们来考虑如何实现 `decrease-key` 操作。 首先我们发现,当我们对节点 x 进行 `decrease-key` 操作后,以 $x$ 为根的子树仍然满足配对堆性质,但 $x$ 的父亲和 $x$ 之间可能不再满足堆性质。 因此我们可以把整棵以 $x$ 为根的子树剖出来,这样现在两棵树都符合配对堆性质了,再把他们 `merge` 起来就做完了。 这个操作本身复杂度显然为 $O(1)$ ,但会破坏原有的势能分析过程,因此均摊复杂度难以证明(目前学术界还无法给出复杂度的精确值),通常可以简单的认为复杂度为 $o(\log n)$ (注意这里为小 o)。 ```cpp // root为堆的根,x为要操作的节点,v为新的权值,调用时需保证x->v<=v //返回值为新的根节点 Node* decrease-key(Node* root,Node* x,LL v) { Node* decrease - key(Node* root, Node* x, LL v) { x->v = v; //修改权值 if (x->fa == node) return x; //如果x为根,就不用接下去的步骤了。 //把x从fa的子节点中剖出去,这里要分x的位置讨论一下。 if (x->fa->ch==x) x->fa->ch=x->xd; else x->fa->xd=x->xd; if (x->fa->ch == x) x->fa->ch = x->xd; else x->fa->xd = x->xd; x->xd->fa = x->fa; x->xd=node; x->fa=node; x->xd = node; x->fa = node; return merge(root, x); //合并root和x。 } ``` ### 复杂度分析   见[配对堆的论文](http://www.cs.cmu.edu/~sleator/papers/pairing-heaps.pdf)。 见[配对堆的论文](http://www.cs.cmu.edu/~sleator/papers/pairing-heaps.pdf)。 ### 参考文献 Loading @@ -194,5 +182,5 @@ Node* decrease-key(Node* root,Node* x,LL v) 2. 集训队论文《黄源河 -- 左偏树的特点及其应用》 3. [《配对堆中文版》](https://wenku.baidu.com/view/f2527bc2bb4cf7ec4afed06d.html) 4. [维基百科 pairing heap 词条](https://en.wikipedia.org/wiki/Pairing_heap) 5. https://blog.csdn.net/luofeixiongsix/article/details/50640668 6. https://brilliant.org/wiki/pairing-heap/ (注:本条目所有图片均来自这里) 5. <https://blog.csdn.net/luofeixiongsix/article/details/50640668> 6. <https://brilliant.org/wiki/pairing-heap/>(注:本条目所有图片均来自这里)