线段树

2021 年 1 月 25 日 星期一(已编辑)
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线段树

线段树

问题引入

假设需要反复对一个数组 a[] 进行以下两个操作:

  • Query · 求和

    对 a[l] ~ a[r] 求和

  • Update · 修改

    将 a[idx] 的值修改为 val

则有如下解决办法:

朴素做法

  • Build

    for (int i = 1; i <= n; i++) scanf ("%d", &a[i]);

  • Query

    for (int i = l; i <= r; i++) sum += a[i]; O(n)

  • Update

    a[idx] = val; O(1)

前缀和

  • Build

    for (int i = 1; i <= l; i++)
    {
        scanf ("%d", &a[i]);
        sum_a[i] = sum_a[i-1] + a[i];
    }
  • Query

    sum = sum_a[r] - sum_a[l - 1]; O(1)

  • Update

    for (int i = idx; i <= n; i++) sum_a[i] += val; O(n)

可见,两种方法的时间复杂度都较高,于是引入线段树的数据结构

定义

线段树是一种二叉搜索树,与区间树相似,它将一个区间划分成一些单元区间,每个单元区间对应线段树中的一个叶结点。

——百度百科

  • Build

    如图,区间依次对半分,每个节点存储一部分区间的和,节点按序标记为 1 ~ n(图中为 0 ~ n - 1)

  • Query O(logn)

    • 从根结点开始划分求和区间
    • 如果节点区间为求和区间的子集:返回节点值
    • 如果节点区间与求和区间无交集:返回 0
  • Update O(logn)

    • 找到修改的节点,修改值
    • 向上更新节点值

模板 · 单点修改 · 数组

/*
 输入数据个数 n
 一行输入 n 个数据
 输入修改个数 m
 m 行每行修改下标 idx 及修改数据 val
 输入查询个数 q
 q 行每行查询左边界右边界 l r
 */

#define _CRTSECURE_NOWARNINGS
#pragma warning(disable:4996)
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<string>
#include<cmath>
#include<cctype>
#include<algorithm>
#include<iostream>
#include<queue>
#include<stack>
#include<vector>
#include<map>
#include<set>
#include<list>
using namespace std;

const int MAX_LEN = 1000016;
int n, m, q;

struct SEGT
{
    int arr[MAX_LEN], tree[MAX_LEN << 2];
    
    void build_tree(int node, int start, int end)
    {
        if (start == end)
        {
            tree[node] = arr[start];
            return;
        }

        int mid = (start + end) >> 1;
        int left_node  = node << 1;
        int right_node = node << 1 | 1;

        build_tree(left_node,  start,   mid);
        build_tree(right_node, mid + 1, end);

        tree[node] = tree[left_node] + tree[right_node];
    }

    void update_tree(int node, int start, int end, int idx, int val)
    {
        if (start == end)
        {
            arr[idx] = val;
            tree[node] = arr[idx];
            return;
        }

        int mid = (start + end) >> 1;
        int left_node  = node << 1;
        int right_node = node << 1 | 1;

        if (idx <= mid)
            update_tree(left_node,  start,   mid, idx, val);
        else
            update_tree(right_node, mid + 1, end, idx, val);

        tree[node] = tree[left_node] + tree[right_node];
    }

    int query_tree(int node, int start, int end, int l, int r)
    {
        if (r < start || l > end) return 0;
        if (l <= start && r >= end) return tree[node];
        if (start == end) return tree[node];

        int mid = (start + end) >> 1;
        int left_node  = node << 1;
        int right_node = node << 1 | 1;
        int sum_left  = query_tree(left_node,  start,   mid, l, r);
        int sum_right = query_tree(right_node, mid + 1, end, l, r);

        return sum_left + sum_right;
    }
};

SEGT segt;

int main()
{
    while (scanf("%d", &n) != EOF)
    {
        for (int i = 1; i <= n; i++) scanf("%d", &segt.arr[i]);
        segt.build_tree(1, 1, n);
        scanf("%d", &m);
        while (m--)
        {
            int idx, val;
            scanf("%d%d", &idx, &val);
            segt.update_tree(1, 1, n, idx, val);
        }
        scanf("%d", &q);
        while (q--)
        {
            int l, r;
            scanf("%d%d", &l, &r);
            printf("%d\n", segt.query_tree(1, 1, n, l, r));
        }
    }


    return 0;

}

模板 · 区间修改

模板 · 权值线段树

#define _CRTSECURE_NOWARNINGS
#pragma warning(disable:4996)
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<string>
#include<cmath>
#include<cctype>
#include<algorithm>
#include<iostream>
#include<queue>
#include<stack>
#include<vector>
#include<map>
#include<set>
#include<list>
using namespace std;

int n, m, p;
int a[10001];
int arr[10001];    //arr[x]表示数 x 有多少个
int tree[10001];

void build_tree(int node, int l, int r)
{
    int mid = (l + r) / 2;
    if (l == r)
    {
        tree[node] = arr[l];
        return;
    }
    int left_node = node * 2;
    int right_node = node * 2 + 1;
    build_tree(left_node, l, mid);
    build_tree(right_node, mid + 1, r);
    tree[node] = tree[left_node] + tree[right_node];
}

void update_tree(int node, int l, int r, int k, int cnt)    //表示数k的个数多cnt个
{
    int mid = (l + r) / 2;
    if (l == r)
    {
        tree[node] += cnt;
        return;
    }

    int left_node = node * 2;
    int right_node = node * 2 + 1;

    if (k <= mid)
        update_tree(left_node, l, mid, k, cnt);
    else
        update_tree(right_node, mid + 1, r, k, cnt);
    tree[node] = tree[left_node] + tree[right_node];
}

int query_tree(int node, int l, int r, int k)    //查询数k有多少个
{
    int mid = (l + r) / 2;
    if (l == r)
        return tree[node];

    int left_node = node * 2;
    int right_node = node * 2 + 1;

    if (k <= mid)
        return query_tree(left_node, l, mid, k);
    else
        return query_tree(right_node, mid + 1, r, k);
}

int kth_tree(int node, int l, int r, int k)    //查询第k大值是多少
{
    int mid = (l + r) / 2;
    if (l == r)
        return l;

    int left_node = node * 2;
    int right_node = node * 2 + 1;
    int s1 = tree[left_node];
    int s2 = tree[right_node];

    if (k <= s2)
        return kth_tree(right_node, mid + 1, r, k);
    else
        return kth_tree(left_node, l, mid, k - s2);
}

int main()
{
    freopen("in.txt", "r", stdin);
    scanf("%d", &n);
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        scanf("%d", &a[i]);
        arr[a[i]]++;
    }
    scanf("%d%d", &m, &p);
    build_tree(1, 1, m);
    printf("%d", kth_tree(1, 1, m, p));

    return 0;

}

习题

A 例题1 · SPOJ GSS1

B 例题2 · Gym 102770B

C 例题3 · POJ 2182

D 【模板】单点修改 · HDU 1166

E 【模板】区间修改 · POJ 3468

F 练习题1 · CodeForces 339D

G 练习题2 · HDU 2795

H 练习题3 · HDU 2852

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