浅析树状数组

目录

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    • 顺序结构 A+B
    • 高精 A+B
    • 压位高精 A+B
    • 二分A+B
  • 树状数组简介(不喜欢啰嗦的请直接跳到这里)
    • 基础概念
    • 代码实现
      • 大体结构
      • lowbit
      • lowbit的作用
      • 总结+代码
    • 逆序对
      • 离散化
      • 方式
      • 实现
      • 代码
  • 树状数组进阶
    • 差分
    • 区间修改+单点查询
      • 主要思想
      • 单点查询
      • 区间修改
    • 区间修改+区间查询
      • 差分分析
      • 代码
  • 2D树状数组
    • query
    • update
    • 区间修改+单点查询
    • 区间修改+区间查询
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    • 一维
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---恢复内容开始---

@(浅析树状数组——B.I.T.)

膜拜第

个来访本蒟蒻博客的大佬

beginning

让我们先从这道题开始:P1001 A+B Problem
说明: 我不是在搞笑 !
我们可以探讨一下,用我们所学的知识可以如何解决这道题.

顺序结构 A+B

#include<cstdio>
int a,b;
int main()
{
    scanf("%d%d",&a,&b);
    printf("%d",a+b);
}

明显没有任何毛病…… 傻子才会说有毛病

高精 A+B

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
int S(const char *a) { return strlen(a); }
int mx(int a,int b) { return a>b?a:b; }
struct bigint{
    static const int LEN=100001;
    static const int ZR='0';
    int a[LEN];
    bigint() { a[0]=1,a[1]=0; }
    void operator=(char*s) {
        memset(a,0,sizeof(int)*a[0]);
        a[0]=S(s);
        for(int i=0;i<a[0];i++)
            a[a[0]-i]=s[i]-'0';
    }
    void operator=(int s) {
        char t[LEN];
        sprintf(t,"%d",s);
        *this=t;
    }
    bigint(int n) { *this=n; }
    bigint(char *s) { *this=s; }
    void in() {
        char s[LEN];
        scanf("%s",s);
        a[0]=S(s);
        for(int i=0;i<a[0];i++)
            a[a[0]-i]=s[i]-'0';
    }
    void out() {
        for(int i=a[0];i>=1;i--)
            printf("%d",a[i]);
    }
    bigint operator+(const bigint&s) {
        bigint ans;
        ans.a[0]=mx(a[0],s.a[0]);
        int x=0;
        for(int i=1;i<=ans.a[0];i++) {
            ans.a[i]=a[i]+s.a[i]+x;
            x=ans.a[i]/10;
            ans.a[i]%=10;
        }
        while(ans.a[ans.a[0]+1]!=0)ans.a[0]++;
        return ans;
    }
};
bigint a,b,c;
int main() {
    a.in();
    b.in();
    c=a+b;
    c.out();
}

压位高精 A+B

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
int S(const char *a) { return strlen(a); }
int mx(int a,int b) { return a>b?a:b; }
struct bigint{
    static const int LEN=101;
    int a[LEN];
    bigint(){}
    void operator=(char*s) {
        memset(a,0,sizeof(a));
        int len=S(s);
        a[0]=len/4;
        if(len%4) a[0]++;
        for(int i=0,j;i<len&&(j=(len-i-1)/4+1);i++)
            a[j]=a[j]*10+s[i]-'0';
    }
    void operator=(int s) {
        char t[LEN];
        sprintf(t,"%d",s);
        *this=t;
    }
    bigint(int n) { *this=n; }
    bigint(char *s) { *this=s; }
    void in() {
        char s[LEN];
        scanf("%s",s);
        *this=s;
    }
    void out() {
        printf("%d",a[a[0]]);
        for(int i=a[0]-1;i>=1;i--)
            printf("%04d",a[i]);
    }
    bigint operator+(const bigint&s) {
        bigint ans=0;
        ans.a[0]=mx(a[0],s.a[0]);
        for(int i=1;i<=ans.a[0];i++) {
            ans.a[i]+=a[i]+s.a[i];
            if(ans.a[i]>=10000)
                ans.a[i]-=10000,ans.a[i+1]++;
        }
        while(ans.a[ans.a[0]+1]!=0)ans.a[0]++;
        return ans;
    }
};
bigint a,b,c;
int main() {
    a.in();
    b.in();
    c=a+b;
    c.out();
}

二分A+B

#include<cstdio>
inline int read()
{
    int a=0; char f=1,c=getchar();
    while(c<'0'||c>'9')
    {
        if(c=='-') f=-f;
        if(c==-1) return -1;
        c=getchar();
    }
    while(c>='0'&&c<='9') a=(a<<1)+(a<<3)+(c^48),c=getchar();
    return a*f;
}
inline int write(int a)
{
    if(a<0) a=(~a)+1;
    if(a/10) write(a/10);
    return putchar(a%10|48);
}
int a=read(),b=read(),l=-2e9,r=2e9;
int main()
{
    while(l+1<r)
    {
        int mid=(l+r)>>1;
        if(mid<a+b) l=mid;
        else r=mid;
    }
    write(r);
}

或许很多人已经觉得二分A+B已经很神奇了,但是我们今天要学习一种新的做A+B的方法:树状数组(B.I.T).

树状数组简介(不喜欢啰嗦的请直接跳到这里)

树状数组(Binary Indexed Tree(B.I.T), Fenwick Tree)是一个查询和修改复杂度都为log(n)的数据结构。主要用于查询任意两位之间的所有元素之和，但是每次只能修改一个元素的值；经过简单修改可以在log(n)的复杂度下进行范围修改，但是这时只能查询其中一个元素的值(如果加入多个辅助数组则可以实现区间修改与区间查询)。

经过了如此一番看不懂的说明,或许你会直接绝望掉,But这东西贼重要,而且 这种东西竟然没有STL！！！气不气 QAQ

基础概念

假设数组$A_{1...n}$，那么查询$\sum_{j=1}^{i}A_j$的时间是$log$级别的，而且这是一个在线的数据结构，支持随时修改某个元素的值，复杂度也为$log$级别。

来观察这个图：
令这棵树的结点编号为$C_1,C_2,C_3......C_n$。令每个结点的值为这棵树的值的总和，那么容易发现：

C1 = A1
C2 = A1 + A2
C3 = A3
C4 = A1 + A2 + A3 + A4
C5 = A5
C6 = A5 + A6
C7 = A7
C8 = A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + A6 + A7 + A8

这里有一个有趣的性质：
设节点编号为x，那么这个节点管辖的区间为$2^k$（其中k为x二进制末尾0的个数）个元素。

这样说是不是就要明确一些了?

根据这个性质,就有一个千古大罪人发明了树状数组

代码实现

大体结构

struct B_I_T{
    int C[100001];
    int n;
    ......//函数
};

lowbit

时间复杂度

$O(1)$

实现

还记得上面说的那一个性质吗?借助C++强大的位运算,我们可以在O(1)时间内求出$2^k$

int lowbit(int x) { return x - ( x & (x - 1) ); }

还有一种更简单也更常用的方式,是这样的

int lowbit(int x) { return x & -x; }

struct B_I_T{
    int C[100001];
    int n;
    inline int lowbit(int x) { return x & -x; }
    ......//函数
};

就可以在结构体中加入这样一个函数了.
不过,更常用的方法不是写在结构体里面,而是写在外面,否则不在结构体当中就只能用B_I_T::lowbit(x) 了,即

inline int lowbit(int x) { return x & -x; }
struct B_I_T{
    int C[100001];
    int n;
    ......//函数
};

其实还有一种实现方法，用宏定义：#define lowbit(x) (x & -x)

lowbit的作用

update

时间复杂度

$O(log n)$

意义

$update(x,val)$ => $A_x=A_x+val$

实现
void update(int x,int val) {
    for(int i=x;i<=n;i+=lowbit(x)) C[x]+=val;
}

这种使用for循环的做法,和下面使用while循环的原理是一样的.

void update(int x,int val) {
    while(x<=n) {
        C[x]+=val;
        x+=lowbit(x);
    }
}

假设n=8,执行update(3,5),则有如下流程

x=3 C[3]+=5 x=3+lowbit(3)=4
x=4 C[4]+=5 x=4+lowbit(4)=8
x=8 C[8]+=5 x=8+lowbit(8)=16
x=16 退出

对照上文的图片 我也不知道有多上文 我们可以知道,每一次C数组中执行加操作的下标,刚好都包括了$A_3$！

作用

作用1——初始化

inline void init() {
    scanf("%d",&n);
    for(reg int i=1;i<=n;i++) {
        scanf("%d",&a);
        update(i,a);
    }
}

作用2——改变单点的值 话说就是拿来干这件事的就不讲了

query

时间复杂度

$O(log n)$

意义

$query(x)$ => $A_1+A_2+……+A_x$

实现
int query(int x) {
    int res=0;
    for(reg int i=x;i;i-=lowbit(x)) res+=C[i];
    return res;
}

这种使用for循环的做法,和下面使用while循环的原理是一样的.

int query(int x) {
    int res=0;
    while(x) {
        res+=C[x];
        x-=lowbit(x);
    }
    return res;
}

假设n=8,执行query(7),则有如下流程

res=0
x=7 res=C[7]
x=6 res=C[6]+C[7]
x=4 res=C[4]+C[6]+C[7]
x=0 退出

仍然对照上(?)表，可以知道$C_4=A_1+A_2+A_3+A_4$，$C_6=A_5+A_6$，$C_7=A_7$。所以$C_4+C_6+C_7=\sum^7_{i=1}A_i$！

作用

作用1——求单点前缀和 不多赘述，直接$query(x)$即可
作用2——求区间和 $Sum(l,r)=query(r)-query(l-1)$，即r的前缀和减去l-1的前缀和，即为l->r的区间和

总结+代码

将以上的所有总结在一起，可以有如下代码

struct B_I_T{
    int n;
    int C[MAXN];
    inline int lowbit(int x) {
        return x & -x;
    }
    inline void update(int x,int val) {
        for(register int i=x;i<=n;i+=lowbit(i))
            C[i]+=val;
    }
    inline int query(int x) {
        int s=0;
        for(register int i=x;i;i-=lowbit(i))
            s+=C[i];
        return s;
    }
    inline void init() {
        for(register int i=1;i<=n;i++) {
            int a;
            scanf("%d",&a);
            update(i,a);
        }
    }
};

如此，我们就可以愉快地完成开头的问题A+B problem了！

逆序对

话说这不一道归并的题吗?拿到B.I.T.这里来干哈的?
先无脑打上mergesort的代码一份

int n,a[500001];
int s[500001];
long long ans;
void mrg(int left,int right,int mid)
{
    int i=left,j=mid+1,k=left;
    while(i<=mid&&j<=right)
    {
        if(a[i]>a[j])
        {
            ans+=mid-i+1;
            s[k++]=a[j++];
        }
        else s[k++]=a[i++];
    }
    while(i<=mid)
        s[k++]=a[i++];
    while(j<=right)
        s[k++]=a[j++];
    for(int i=left;i<=right;i++)
        a[i]=s[i];
}
void mergesort(int left,int right)
{
    if(left==right)return;
    int mid=(left+right)/2;
    mergesort(left,mid);
    mergesort(mid+1,right);
    mrg(left,right,mid);
}

离散化

喂喂喂，这又是什么鬼?又关这道题什么事?不要急，先听我说。

离散化是程序设计中一个常用的技巧，它可以有效的降低时间复杂度。
有些数据本身很大，自身无法作为数组的下标保存对应的属性。如果这时只是需要这堆数据的相对属性，那么可以对其进行离散化处理。当数据只与它们之间的相对大小有关，而与具体是多少无关时，可以进行离散化。比如当你数据个数n很小，数据范围却很大时（超过1e9）就考虑离散化更小的值，能够实现更多的算法。

Set an example：

方式

离散化常见的两种方式： 1、数组离散化 2、用STL+二分离散化

数组法

for(register int i=1;i<=n;i++)
{
    cin>>a[i].val;
    a[i].id = i;
}
sort(a+1,a+n+1);//定义结构体时按val从小到大重载
for(int i=1;i<=n;i++)
    b[a[i].id]=i;//将a[i]数组映射成更小的值,b[i]就是a[i]对应的rank(顺序)值

STL+二分

//n原数组大小   num原数组中的元素    lsh离散化的数组    cnt离散化后的数组大小
int lsh[MAXN],cnt,num[MAXN],n;
for(int i=1;i<=n;i++)
{
    scanf("%d",&num[i]);
    lsh[i]=num[i];//复制一份原数组
}
sort(lsh+1,lsh+n+1);//排序,unique虽有排序功能,但交叉数据排序不支持，所以先排序防止交叉数据
//cnt就是排序去重之后的长度
cnt=unique(lsh+1,lsh+n+1)-lsh-1;//unique返回去重之后最后一位后一位地址-数组首地址-1
for(int i=1;i<=n;i++)
    num[i]=lower_bound(lsh+1,lsh+cnt+1,num[i])-lsh;
//lower_bound返回二分查找在去重排序数组中第一个等于或大于num[i]的值的地址-数组首地址,从而实现离散化

实现

逆序对实际上就是统计当前元素的前面有几个比它大的元素的个数，然后把所有元素比它大的元素总数垒加就是逆序对总数。

代码

#include<map>
#include<set>
#include<list>
#include<queue>
#include<deque>
#include<stack>
#include<ctime>
#include<cmath>
#include<vector>
#include<bitset>
#include<cstdio>
#include<cctype>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<climits>
#include<iomanip>
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
#define reg register
template <typename T>
inline T read() {
    T a=0; char c=getchar(),f=1;
    while(c<'0'||c>'9') {
        if(c=='-') f=-f;
        if(c==-1) return c;
        c=getchar();
    }
    while(c>='0'&&c<='9') a=(a<<1)+(a<<3)+(c^48),c=getchar();
    return a*f;
}
template <class T>
inline int write(T x) {
    if(x<0) x=(~x)+1, putchar('-');
    if(x/10) write(x/10);
    return putchar(x%10|48);
}
template <class T>
inline int write(T x,char c) {
    return write(x)&&putchar(c);
}
template <class T>
inline T Max(T a,T b) { return a>b?a:b; }
template <class T>
inline T Min(T a,T b) { return a<b?a:b; }
template <class T>
inline T Abs(T a) { return a<0?-a:a; }
int n=read<int>();
int C[500001];
long long ans;
int a[500001];
int rnk[500001];
inline int lowbit(int x) {
    return x & -x;
}
inline int query(int x) {
    int s=0;
    while(x>0) {
        s+=C[x];
        x-=lowbit(x);
    }
    return s;
}
inline void update(int x,int val) {
    while(x<=n) {
        C[x]+=val;
        x+=lowbit(x);
    }
}
int main() {
    for(reg int i=1;i<=n;i++) {
        a[i]=rnk[i]=read<int>();
    }
    sort(a+1,a+n+1);
    int cnt=unique(a+1,a+n+1)-a-1;
    for(reg int i=1;i<=n;i++) {
        rnk[i]=lower_bound(a+1,a+cnt+1,rnk[i])-a;
    }
    for(reg int i=1;i<=n;i++) {
        update(rnk[i],1);
        ans+=i-query(rnk[i]);
    }
    write(ans);
}

树状数组进阶

差分

如果你像我一样是个小白，那你也许看不懂这是什么东西。
好吧，先上万能的百度百科

差分，又名差分函数或差分运算，差分的结果反映了离散量之间的一种变化，是研究离散数学的一种工具，常用函数差近似导数。

有没有仍然看不懂？
那就直接来看一下差分的BIT吧

区间修改+单点查询

看起来有点正经的内容了

主要思想

令i~j的区间和为$a_i-a_{j-1}(i>j)$，于是前缀和就为$a_i-a_0$。如果如此，那输入的时候就可以处理为$update(i,a_i-a_{i-1})$。

单点查询

想一想，如果这样，$A_i=a_i-a_{i-1},A_1+A_2+...+A_i=a_i-a_0$，就可以直接这样处理了。至于单点查询，可以很容易地想到，对于一个点i而言，因为a[0]=0，所以query(i)=a[i]

区间修改

直接上代码

inline void update(int x,int delta) {
    ......//同上
}
inline void update(int l,int r,int delta) {
    update(l,delta); update(r+1,-delta);
}

想一想，如果$n=6$，$[2-4]$这个区间加上4，那么如下

id 1 2 3 4 5  6
A  0 4 4 4 0  0
C  0 4 0 0 -4 0

震惊！ 只有$C_2(+4)$和$C_5(-4)$改变了！
对于$C_3$的分析

C[3]=A[3]-A[2]
C'[3]=A'[3]-A'[2]=(A[3]+4)-(A[2]+4)=A[3]-A[2]=C[3]

所以，按这样推来，只需要改动$C_l$和$C_r$即可。

区间修改+区间查询

差分分析

我们同样引入上面的差分C数组。
$∵C_i=A_i-A_{i-1}$
$∴A_i=C_1+C_2+C_3+......+C_i$
那么可以得到这一坨
$????A_1+A_2+...+A_i$
$=C_1+(C_1+C_2)+...+(C_1+C_2+...+C_i)$
$=iC_1+(i-1)C_2+...+C_i$
$=i(C_i+C_2+...+C_i)-1C_2-...-(i-1)C_i$
所以，我们就可以再用一个毒瘤的差分数组$C1_i$来储存$(i-1)C_i$
接上面的公式
$=i*(C_1+C_2+C_3+......+C_i)-(C1_1+C1_2+C1_3+......+C1_i)$

代码

template <typename T>
inline T read() {
    T a=0; char c=getchar(),f=1;
    while(c<'0'||c>'9') {
        if(c=='-') f=-f;
        if(c==-1) return c;
        c=getchar();
    }
    while(c>='0'&&c<='9') a=(a<<1)+(a<<3)+(c^48),c=getchar();
    return a*f;
}
typedef long long LL;
#define lowbit(x) (x & -x)
struct BIT{
    int n;
    LL C1[MAXN],C2[MAXN];
    inline BIT(){}
    inline void update(LL *C,int x,LL val) {
        while(x<=n) {
            C[x]+=val;
            x+=lowbit(x);
        }
    }
    inline void update(int l,int r,LL val) {
        update(C1,l,val); update(C1,r+1,-val);
        update(C2,l,val*(l-1)); update(C2,r+1,-val*r);
    }
    inline LL query(LL *C,int x) {
        LL s=0;
        while(x) {
            s+=C[x];
            x-=lowbit(x);
        }
        return s;
    }
    inline LL query(int l,int r) {
        return (l-1)*query(C1,l-1)-query(C2,l-1)-(r*query(C1,r)-query(C2,r));
    }
    inline void init(int N=0) {
        if(N) n=N;
        else n=read<int>();
        LL bef=0;
        for(reg int i=1;i<=n;i++) {
            LL num=read<LL>();
            update(C1,i,num-bef);
            update(C2,i,(num-bef)*(i-1));
            bef=num;
        }
    }
};

2D树状数组

怎么会有这么毒瘤的题……

int n,m;
struct BIT2D{
    int C[1001][1001];
    ......//函数
};

query

分析——放弃
代码——

inline int query(int x,int y) {
    int res=0;
    for(register int i=x;i;i-=lowbit(i)) {
        for(register int j=y;j;j-=lowbit(j)) {
            res+=C[i][j];
        }
    }
    return res;
}

update

分析——同上
代码——

inline void update(int x,int y,int delta) {
    for(register int i=x;i<=n;i+=lowbit(i)) {
        for(register int j=y;j<=n;j+=lowbit(j)) {
            C[i][j]+=delta;
        }
    }
}

区间修改+单点查询

一句话总结：$C_{i,j}=A_{i,j}-A_{i-1,j}-A_{i,j-1}+A_{i-1,j-1}$

区间修改+区间查询

同样是一句话：维护$C_{i,j}$和$iC_{i,j}$和$jC_{i,j}$和$ijC_{i,j}$

时间复杂度

每一次操作为$O(log^2)$

当然了，更高维的树状数组也可以此类推，每一次操作的时间复杂度为$O(log^k)$(k是树状数组的维度)

罗列例题

一维

完结撒花(图)！！！！！！！！！

---恢复内容结束---

@TOC

膜拜第

个来访本蒟蒻博客的大佬

beginning

让我们先从这道题开始:P1001 A+B Problem
说明: 我不是在搞笑 !
我们可以探讨一下,用我们所学的知识可以如何解决这道题.

顺序结构 A+B

#include<cstdio>
int a,b;
int main()
{
    scanf("%d%d",&a,&b);
    printf("%d",a+b);
}

明显没有任何毛病…… 傻子才会说有毛病

高精 A+B

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
int S(const char *a) { return strlen(a); }
int mx(int a,int b) { return a>b?a:b; }
struct bigint{
    static const int LEN=100001;
    static const int ZR='0';
    int a[LEN];
    bigint() { a[0]=1,a[1]=0; }
    void operator=(char*s) {
        memset(a,0,sizeof(int)*a[0]);
        a[0]=S(s);
        for(int i=0;i<a[0];i++)
            a[a[0]-i]=s[i]-'0';
    }
    void operator=(int s) {
        char t[LEN];
        sprintf(t,"%d",s);
        *this=t;
    }
    bigint(int n) { *this=n; }
    bigint(char *s) { *this=s; }
    void in() {
        char s[LEN];
        scanf("%s",s);
        a[0]=S(s);
        for(int i=0;i<a[0];i++)
            a[a[0]-i]=s[i]-'0';
    }
    void out() {
        for(int i=a[0];i>=1;i--)
            printf("%d",a[i]);
    }
    bigint operator+(const bigint&s) {
        bigint ans;
        ans.a[0]=mx(a[0],s.a[0]);
        int x=0;
        for(int i=1;i<=ans.a[0];i++) {
            ans.a[i]=a[i]+s.a[i]+x;
            x=ans.a[i]/10;
            ans.a[i]%=10;
        }
        while(ans.a[ans.a[0]+1]!=0)ans.a[0]++;
        return ans;
    }
};
bigint a,b,c;
int main() {
    a.in();
    b.in();
    c=a+b;
    c.out();
}

压位高精 A+B

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
int S(const char *a) { return strlen(a); }
int mx(int a,int b) { return a>b?a:b; }
struct bigint{
    static const int LEN=101;
    int a[LEN];
    bigint(){}
    void operator=(char*s) {
        memset(a,0,sizeof(a));
        int len=S(s);
        a[0]=len/4;
        if(len%4) a[0]++;
        for(int i=0,j;i<len&&(j=(len-i-1)/4+1);i++)
            a[j]=a[j]*10+s[i]-'0';
    }
    void operator=(int s) {
        char t[LEN];
        sprintf(t,"%d",s);
        *this=t;
    }
    bigint(int n) { *this=n; }
    bigint(char *s) { *this=s; }
    void in() {
        char s[LEN];
        scanf("%s",s);
        *this=s;
    }
    void out() {
        printf("%d",a[a[0]]);
        for(int i=a[0]-1;i>=1;i--)
            printf("%04d",a[i]);
    }
    bigint operator+(const bigint&s) {
        bigint ans=0;
        ans.a[0]=mx(a[0],s.a[0]);
        for(int i=1;i<=ans.a[0];i++) {
            ans.a[i]+=a[i]+s.a[i];
            if(ans.a[i]>=10000)
                ans.a[i]-=10000,ans.a[i+1]++;
        }
        while(ans.a[ans.a[0]+1]!=0)ans.a[0]++;
        return ans;
    }
};
bigint a,b,c;
int main() {
    a.in();
    b.in();
    c=a+b;
    c.out();
}

二分A+B

#include<cstdio>
inline int read()
{
    int a=0; char f=1,c=getchar();
    while(c<'0'||c>'9')
    {
        if(c=='-') f=-f;
        if(c==-1) return -1;
        c=getchar();
    }
    while(c>='0'&&c<='9') a=(a<<1)+(a<<3)+(c^48),c=getchar();
    return a*f;
}
inline int write(int a)
{
    if(a<0) a=(~a)+1;
    if(a/10) write(a/10);
    return putchar(a%10|48);
}
int a=read(),b=read(),l=-2e9,r=2e9;
int main()
{
    while(l+1<r)
    {
        int mid=(l+r)>>1;
        if(mid<a+b) l=mid;
        else r=mid;
    }
    write(r);
}

或许很多人已经觉得二分A+B已经很神奇了,但是我们今天要学习一种新的做A+B的方法:树状数组(B.I.T).

树状数组简介(不喜欢啰嗦的请直接跳到这里)

树状数组(Binary Indexed Tree(B.I.T), Fenwick Tree)是一个查询和修改复杂度都为log(n)的数据结构。主要用于查询任意两位之间的所有元素之和，但是每次只能修改一个元素的值；经过简单修改可以在log(n)的复杂度下进行范围修改，但是这时只能查询其中一个元素的值(如果加入多个辅助数组则可以实现区间修改与区间查询)。

经过了如此一番看不懂的说明,或许你会直接绝望掉,But这东西贼重要,而且 这种东西竟然没有STL！！！气不气 QAQ

基础概念

假设数组$A_{1...n}$，那么查询$\sum_{j=1}^{i}A_j$的时间是$log$级别的，而且这是一个在线的数据结构，支持随时修改某个元素的值，复杂度也为$log$级别。

来观察这个图：
令这棵树的结点编号为$C_1,C_2,C_3......C_n$。令每个结点的值为这棵树的值的总和，那么容易发现：

C1 = A1
C2 = A1 + A2
C3 = A3
C4 = A1 + A2 + A3 + A4
C5 = A5
C6 = A5 + A6
C7 = A7
C8 = A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + A6 + A7 + A8

这里有一个有趣的性质：
设节点编号为x，那么这个节点管辖的区间为$2^k$（其中k为x二进制末尾0的个数）个元素。

这样说是不是就要明确一些了?

根据这个性质,就有一个千古大罪人发明了树状数组

代码实现

大体结构

struct B_I_T{
    int C[100001];
    int n;
    ......//函数
};

lowbit

时间复杂度

$O(1)$

实现

还记得上面说的那一个性质吗?借助C++强大的位运算,我们可以在O(1)时间内求出$2^k$

int lowbit(int x) { return x - ( x & (x - 1) ); }

还有一种更简单也更常用的方式,是这样的

int lowbit(int x) { return x & -x; }

struct B_I_T{
    int C[100001];
    int n;
    inline int lowbit(int x) { return x & -x; }
    ......//函数
};

就可以在结构体中加入这样一个函数了.
不过,更常用的方法不是写在结构体里面,而是写在外面,否则不在结构体当中就只能用B_I_T::lowbit(x) 了,即

inline int lowbit(int x) { return x & -x; }
struct B_I_T{
    int C[100001];
    int n;
    ......//函数
};

其实还有一种实现方法，用宏定义：#define lowbit(x) (x & -x)

lowbit的作用

update

时间复杂度

$O(log n)$

意义

$update(x,val)$ => $A_x=A_x+val$

实现
void update(int x,int val) {
    for(int i=x;i<=n;i+=lowbit(x)) C[x]+=val;
}

这种使用for循环的做法,和下面使用while循环的原理是一样的.

void update(int x,int val) {
    while(x<=n) {
        C[x]+=val;
        x+=lowbit(x);
    }
}

假设n=8,执行update(3,5),则有如下流程

x=3 C[3]+=5 x=3+lowbit(3)=4
x=4 C[4]+=5 x=4+lowbit(4)=8
x=8 C[8]+=5 x=8+lowbit(8)=16
x=16 退出

对照上文的图片 我也不知道有多上文 我们可以知道,每一次C数组中执行加操作的下标,刚好都包括了$A_3$！

作用

作用1——初始化

inline void init() {
    scanf("%d",&n);
    for(reg int i=1;i<=n;i++) {
        scanf("%d",&a);
        update(i,a);
    }
}

作用2——改变单点的值 话说就是拿来干这件事的就不讲了

query

时间复杂度

$O(log n)$

意义

$query(x)$ => $A_1+A_2+……+A_x$

实现
int query(int x) {
    int res=0;
    for(reg int i=x;i;i-=lowbit(x)) res+=C[i];
    return res;
}

这种使用for循环的做法,和下面使用while循环的原理是一样的.

int query(int x) {
    int res=0;
    while(x) {
        res+=C[x];
        x-=lowbit(x);
    }
    return res;
}

假设n=8,执行query(7),则有如下流程

res=0
x=7 res=C[7]
x=6 res=C[6]+C[7]
x=4 res=C[4]+C[6]+C[7]
x=0 退出

仍然对照上(?)表，可以知道$C_4=A_1+A_2+A_3+A_4$，$C_6=A_5+A_6$，$C_7=A_7$。所以$C_4+C_6+C_7=\sum^7_{i=1}A_i$！

作用

作用1——求单点前缀和 不多赘述，直接$query(x)$即可
作用2——求区间和 $Sum(l,r)=query(r)-query(l-1)$，即r的前缀和减去l-1的前缀和，即为l->r的区间和

总结+代码

将以上的所有总结在一起，可以有如下代码

struct B_I_T{
    int n;
    int C[MAXN];
    inline int lowbit(int x) {
        return x & -x;
    }
    inline void update(int x,int val) {
        for(register int i=x;i<=n;i+=lowbit(i))
            C[i]+=val;
    }
    inline int query(int x) {
        int s=0;
        for(register int i=x;i;i-=lowbit(i))
            s+=C[i];
        return s;
    }
    inline void init() {
        for(register int i=1;i<=n;i++) {
            int a;
            scanf("%d",&a);
            update(i,a);
        }
    }
};

如此，我们就可以愉快地完成开头的问题A+B problem了！

逆序对

话说这不一道归并的题吗?拿到B.I.T.这里来干哈的?
先无脑打上mergesort的代码一份

int n,a[500001];
int s[500001];
long long ans;
void mrg(int left,int right,int mid)
{
    int i=left,j=mid+1,k=left;
    while(i<=mid&&j<=right)
    {
        if(a[i]>a[j])
        {
            ans+=mid-i+1;
            s[k++]=a[j++];
        }
        else s[k++]=a[i++];
    }
    while(i<=mid)
        s[k++]=a[i++];
    while(j<=right)
        s[k++]=a[j++];
    for(int i=left;i<=right;i++)
        a[i]=s[i];
}
void mergesort(int left,int right)
{
    if(left==right)return;
    int mid=(left+right)/2;
    mergesort(left,mid);
    mergesort(mid+1,right);
    mrg(left,right,mid);
}

离散化

喂喂喂，这又是什么鬼?又关这道题什么事?不要急，先听我说。

离散化是程序设计中一个常用的技巧，它可以有效的降低时间复杂度。
有些数据本身很大，自身无法作为数组的下标保存对应的属性。如果这时只是需要这堆数据的相对属性，那么可以对其进行离散化处理。当数据只与它们之间的相对大小有关，而与具体是多少无关时，可以进行离散化。比如当你数据个数n很小，数据范围却很大时（超过1e9）就考虑离散化更小的值，能够实现更多的算法。

Set an example：

方式

离散化常见的两种方式： 1、数组离散化 2、用STL+二分离散化

数组法

for(register int i=1;i<=n;i++)
{
    cin>>a[i].val;
    a[i].id = i;
}
sort(a+1,a+n+1);//定义结构体时按val从小到大重载
for(int i=1;i<=n;i++)
    b[a[i].id]=i;//将a[i]数组映射成更小的值,b[i]就是a[i]对应的rank(顺序)值

STL+二分

//n原数组大小   num原数组中的元素    lsh离散化的数组    cnt离散化后的数组大小
int lsh[MAXN],cnt,num[MAXN],n;
for(int i=1;i<=n;i++)
{
    scanf("%d",&num[i]);
    lsh[i]=num[i];//复制一份原数组
}
sort(lsh+1,lsh+n+1);//排序,unique虽有排序功能,但交叉数据排序不支持，所以先排序防止交叉数据
//cnt就是排序去重之后的长度
cnt=unique(lsh+1,lsh+n+1)-lsh-1;//unique返回去重之后最后一位后一位地址-数组首地址-1
for(int i=1;i<=n;i++)
    num[i]=lower_bound(lsh+1,lsh+cnt+1,num[i])-lsh;
//lower_bound返回二分查找在去重排序数组中第一个等于或大于num[i]的值的地址-数组首地址,从而实现离散化

实现

逆序对实际上就是统计当前元素的前面有几个比它大的元素的个数，然后把所有元素比它大的元素总数垒加就是逆序对总数。

代码

#include<map>
#include<set>
#include<list>
#include<queue>
#include<deque>
#include<stack>
#include<ctime>
#include<cmath>
#include<vector>
#include<bitset>
#include<cstdio>
#include<cctype>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<climits>
#include<iomanip>
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
#define reg register
template <typename T>
inline T read() {
    T a=0; char c=getchar(),f=1;
    while(c<'0'||c>'9') {
        if(c=='-') f=-f;
        if(c==-1) return c;
        c=getchar();
    }
    while(c>='0'&&c<='9') a=(a<<1)+(a<<3)+(c^48),c=getchar();
    return a*f;
}
template <class T>
inline int write(T x) {
    if(x<0) x=(~x)+1, putchar('-');
    if(x/10) write(x/10);
    return putchar(x%10|48);
}
template <class T>
inline int write(T x,char c) {
    return write(x)&&putchar(c);
}
template <class T>
inline T Max(T a,T b) { return a>b?a:b; }
template <class T>
inline T Min(T a,T b) { return a<b?a:b; }
template <class T>
inline T Abs(T a) { return a<0?-a:a; }
int n=read<int>();
int C[500001];
long long ans;
int a[500001];
int rnk[500001];
inline int lowbit(int x) {
    return x & -x;
}
inline int query(int x) {
    int s=0;
    while(x>0) {
        s+=C[x];
        x-=lowbit(x);
    }
    return s;
}
inline void update(int x,int val) {
    while(x<=n) {
        C[x]+=val;
        x+=lowbit(x);
    }
}
int main() {
    for(reg int i=1;i<=n;i++) {
        a[i]=rnk[i]=read<int>();
    }
    sort(a+1,a+n+1);
    int cnt=unique(a+1,a+n+1)-a-1;
    for(reg int i=1;i<=n;i++) {
        rnk[i]=lower_bound(a+1,a+cnt+1,rnk[i])-a;
    }
    for(reg int i=1;i<=n;i++) {
        update(rnk[i],1);
        ans+=i-query(rnk[i]);
    }
    write(ans);
}

树状数组进阶

差分

如果你像我一样是个小白，那你也许看不懂这是什么东西。
好吧，先上万能的百度百科

差分，又名差分函数或差分运算，差分的结果反映了离散量之间的一种变化，是研究离散数学的一种工具，常用函数差近似导数。

有没有仍然看不懂？
那就直接来看一下差分的BIT吧

区间修改+单点查询

看起来有点正经的内容了

主要思想

令i~j的区间和为$a_i-a_{j-1}(i>j)$，于是前缀和就为$a_i-a_0$。如果如此，那输入的时候就可以处理为$update(i,a_i-a_{i-1})$。

单点查询

想一想，如果这样，$A_i=a_i-a_{i-1},A_1+A_2+...+A_i=a_i-a_0$，就可以直接这样处理了。至于单点查询，可以很容易地想到，对于一个点i而言，因为a[0]=0，所以query(i)=a[i]

区间修改

直接上代码

inline void update(int x,int delta) {
    ......//同上
}
inline void update(int l,int r,int delta) {
    update(l,delta); update(r+1,-delta);
}

想一想，如果$n=6$，$[2-4]$这个区间加上4，那么如下

id 1 2 3 4 5  6
A  0 4 4 4 0  0
C  0 4 0 0 -4 0

震惊！ 只有$C_2(+4)$和$C_5(-4)$改变了！
对于$C_3$的分析

C[3]=A[3]-A[2]
C'[3]=A'[3]-A'[2]=(A[3]+4)-(A[2]+4)=A[3]-A[2]=C[3]

所以，按这样推来，只需要改动$C_l$和$C_r$即可。

区间修改+区间查询

差分分析

我们同样引入上面的差分C数组。
$∵C_i=A_i-A_{i-1}$
$∴A_i=C_1+C_2+C_3+......+C_i$
那么可以得到这一坨
$????A_1+A_2+...+A_i$
$=C_1+(C_1+C_2)+...+(C_1+C_2+...+C_i)$
$=iC_1+(i-1)C_2+...+C_i$
$=i(C_i+C_2+...+C_i)-1C_2-...-(i-1)C_i$
所以，我们就可以再用一个毒瘤的差分数组$C1_i$来储存$(i-1)C_i$
接上面的公式
$=i*(C_1+C_2+C_3+......+C_i)-(C1_1+C1_2+C1_3+......+C1_i)$

代码

template <typename T>
inline T read() {
    T a=0; char c=getchar(),f=1;
    while(c<'0'||c>'9') {
        if(c=='-') f=-f;
        if(c==-1) return c;
        c=getchar();
    }
    while(c>='0'&&c<='9') a=(a<<1)+(a<<3)+(c^48),c=getchar();
    return a*f;
}
typedef long long LL;
#define lowbit(x) (x & -x)
struct BIT{
    int n;
    LL C1[MAXN],C2[MAXN];
    inline BIT(){}
    inline void update(LL *C,int x,LL val) {
        while(x<=n) {
            C[x]+=val;
            x+=lowbit(x);
        }
    }
    inline void update(int l,int r,LL val) {
        update(C1,l,val); update(C1,r+1,-val);
        update(C2,l,val*(l-1)); update(C2,r+1,-val*r);
    }
    inline LL query(LL *C,int x) {
        LL s=0;
        while(x) {
            s+=C[x];
            x-=lowbit(x);
        }
        return s;
    }
    inline LL query(int l,int r) {
        return (l-1)*query(C1,l-1)-query(C2,l-1)-(r*query(C1,r)-query(C2,r));
    }
    inline void init(int N=0) {
        if(N) n=N;
        else n=read<int>();
        LL bef=0;
        for(reg int i=1;i<=n;i++) {
            LL num=read<LL>();
            update(C1,i,num-bef);
            update(C2,i,(num-bef)*(i-1));
            bef=num;
        }
    }
};

2D树状数组

怎么会有这么毒瘤的题……

int n,m;
struct BIT2D{
    int C[1001][1001];
    ......//函数
};

query

分析——放弃
代码——

inline int query(int x,int y) {
    int res=0;
    for(register int i=x;i;i-=lowbit(i)) {
        for(register int j=y;j;j-=lowbit(j)) {
            res+=C[i][j];
        }
    }
    return res;
}

update

分析——同上
代码——

inline void update(int x,int y,int delta) {
    for(register int i=x;i<=n;i+=lowbit(i)) {
        for(register int j=y;j<=n;j+=lowbit(j)) {
            C[i][j]+=delta;
        }
    }
}

区间修改+单点查询

一句话总结：$C_{i,j}=A_{i,j}-A_{i-1,j}-A_{i,j-1}+A_{i-1,j-1}$

区间修改+区间查询

同样是一句话：维护$C_{i,j}$和$iC_{i,j}$和$jC_{i,j}$和$ijC_{i,j}$

时间复杂度

每一次操作为$O(log^2)$

当然了，更高维的树状数组也可以此类推，每一次操作的时间复杂度为$O(log^k)$(k是树状数组的维度)

罗列例题

一维

完结撒花(图)！！！！！！！！！

原文地址：https://www.cnblogs.com/PI-UKE/p/10490794.html

时间： 2024-10-10 07:06:59

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