树状数组可以用来求区间元素的和。
与前缀和做法不同,它支持值的修改。
比如说,现在我有一个数列a,要求你维护这个数列,使其支持两个操作。
1.改变数列第k项的值
2.查询从第i项到第j项的总值
暴力做法总是过不了所有点的,如果使用暴力,虽然操作1是O(1)的,但是操作2是O(n)的,没人对此复杂度满意。
假设原数列为a,我们的树状数组为c,那么,应该有下图的情况。
可以看出,每一个叶节点对应数组中的某个元素。
c[i]为第i列树上最高的那个点。
数组c就是树状数组。
不难看出
对于每一个c[i],其值总是决定于其两个子节点,也就是每一个c[i]都是两个子节点的值的和。
现在有一个特殊操作,把下标转化成二进制,就有下图所示的样子
可以发现,叶节点的二进制位,其最低位必定是1,我们约定,这些节点上的c数组代表的值是只有一位的。
而对于最后两位是10的位,也就是c[2]和c[6],其位于二叉树的倒数第二层,我们约定,这些节点上的c数组所代表的值也是其下面所有叶节点的值之和。可以看出,在这一层的节点控制2个叶节点。
最后三位是100的位,也就是上图的c[4],其位于二叉树的倒数第三层,这一层的节点控制4个叶节点,c数组同理可以得出。
同样的,最后四位是1000的位,其位于二叉树的倒数第四层,它控制8个叶节点。
我们能不能扩展到一般情况呢?
可以。我们假设有一个二进制数m,从最低位向最高位数,如果拥有n个‘0’位,那么这个节点将控制2^n个叶节点,其上的c数组代表的是[m-2^n+1,m]的区间和。
那么2^n应该怎么求呢?有一个叫lowbit的东西,它能取得最低位的1表示的数。
那么lowbit的实现方法?
*贴代码
可以证明,2^n = m & (-m) (位运算)
如果在改动a数组之后,还要花O(n)时间去修改c数组,那么树状数组就没有任何意义了,因为无法得到性能的提升,实际上,树状数组可以在O(logn)的时间内完成一次修改。
因为改动一次a,没有必要去把整个的c数组改动,只需改动一部分即可。
假如我们要改动a[3],那么显然的,我们要改动的c数组应该是c[3],c[4]和c[8],因为只有这几个点控制3号叶节点,其他的点不控制3号叶节点所以不受影响。
可以看出,c[3],c[4],c[8]是3号节点的祖先。
我们推广到一般情况,对于一次修改操作,我们怎样才能得知c数组的变化呢?
由之前二进制位的讨论,我们知道,对于一个点,这个点控制的叶节点大于1,那么这个点应该是某个点的父亲节点。
那么,一般的,如果一个a[i]发生改变,那么其对应的节点c[i]便也会发生改变,c[i]的父亲节点也会发生改变,c[i]的父亲节点的父亲节点也会发生改变……等等
这样。每次修改只有O(logn),达到预期的性能要求。