树状数组(简单介绍)
树状数组解决的问题:
假如有这样一种情景,先输入一个长度为n的数组,然后我们有如下两种操作:
- 输入一个数m,输出数组中下标1~m的前缀和
- 对某个指定下标的数进行值的修改
多次执行上述两种操作;
常规方法
对于一个的数组,如果需要求1~m的前缀和我们可以将其从下标1开始对m个数进行求和,对于值的修改,我们可以直接通过下标找到要修改的数,然后更新前缀和,对于一次操作显然没什么问题,但对于nnn次操作,时间复杂度就达到了O(n2)O(n^2)O(n2)和O(n)O(n)O(n),这样的方法就显得不适用了。
树状数组
如图,对于一个长度为n的数组,A数组存放的是数组的初始值,引入一个辅助数组C;
C1 = A1
C2 = C1 + A2 = A1 + A2
C3 = A3
C4 = C2 + C3 + A4 = A1 + A2 + A3 + A4
C5 = A5
C6 = C5 + A6 = A5 + A6
C7 = A7
C8 = C4 + C6 + C7 + A8 = A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + A6 + A7 + A8
我们称C[i]
的值为下标为i
的数所管辖的数的和,下标为i
的数所管辖的元素的个数为2k2^k2k个(k
为i
的二进制的末尾0的个数),例如:
i = 8 = 1000
,末尾3个0,故k = 3
,所管辖的个数为23=82^3 = 823=8,C8
是8个数的和;i = 5 = 0101
,末尾没有0,故k = 0
,所管辖的个数为20=12^0 = 120=1,C5
是一个数的和;
而对于输入的数m,我们要求编号为m的数的前缀和A1⋯AmA_1\cdots A_mA1⋯Am,按照上面说的,summ=Ci1+Ci2+⋯sum_m= C_{i_1} + C_{i_2} + \cdotssumm=Ci1+Ci2+⋯,这里m
和C[i]
的对应关系是这样的,对于查询的m,将它转换成二进制后,不断对末尾的1的位置进行-1的操作,直到全部为0停止,中间得到的值就是c[i]
,例如:
m = 7
,sum7=C7+C6+C4sum_7 = C_7 + C_6 + C_4sum7=C7+C6+C4,7的二进制为0111
(C7C_7C7得到),对0111
的末尾1的位置-1,得到0110 = 6
(C6C_6C6得到),再对0110
末尾1位置-1,得到0100 = 4
(C4C_4C4得到),最后对0100
末尾1位置-1后得到0000
(结束),计算停止,至此C7,C6,C4C_7,C_6,C_4C7,C6,C4全部得到,求和后就是m = 7
时它的前缀和;m = 6
,sum6=C6+C4sum_6 = C_6 + C_4sum6=C6+C4,6的2进制等于·0110·,经过两次变换后为0100
(C4)和0000
(结束信号),那么求和后同样也得到了预计的结果;
那么求前缀和的代码如下:
int lowbit(int m){return m & (-m);
}int getSum(int m){int ans = 0;while(m > 0){ans += C[m];m -= lowbit(m);}return ans;
}
关于m & (-m)
这是一个很巧妙的地方,如13的二进制表示为1101
,那么-13的二进制表示为0010 + 0001 = 0011
,那么1101 & 0011 = 0001
,二进制末尾1的位置是202^020,将13 - 0001 = 12
,再对12执行lowbit
操作,1100 & 0100 = 0100
,二进制末尾1的位置是222^222,将12 - 0100 = 8
,再对8执行lowbit
操作,0100 & 1100 = 0100
,二进制位是222^222,8 - 0100 = 0
(结束操作),通过循环得到的13,12,8,则sum13=C13+C12+C8sum_{13} = C_{13} + C_{12} + C_8sum13=C13+C12+C8.
建立树状数组
对于一个输入的数组A,我们一次读取的过程,就可以想成是一个不断更新值的过程,所以建树与单点更新值是一样的,即把A1⋯AnA_1\cdots A_nA1⋯An从0更新成我们输入的A[i]
,所以一边读入A[i]
,一边将C[i]涉及到的祖先节点值更新,完成输入后树状数组C也就建立成功了。
下面说说如何更新节点值:
假设更新A[2] = 5
,通过观察我们得知,如果修改了A[2]的值,那么管辖A[2]
的C[2],C[4],C[8]
的前缀和都要加上5(所有的祖先节点),那么和查询类似,我们如何得到C2
的所有祖先节点呢,依旧是上述的巧妙的方法,但是我们把它倒过来用,对于要更新i
位置的值,我们把i
转换成二进制,不断对二进制最后一个1的位置+1,直到达到数组下标的最大值n结束,对于给出的例子i = 2
,假设数组下标上限n = 8
,i
转换成二进制后等于0010
(C2C_2C2),对末尾1的位置进行+1,得到0100
(C4C_4C4),对末尾的1的位置进行+1,得到1000
(C8C_8C8),循环结束,对C2,C4,C8C_2,C_4,C_8C2,C4,C8的前缀和都要+5,当然不能忘记对A[2]
的值+5,单点更新值过程结束。
void update(int x, int value){A[x] += value; // 修改源数组while(x <= n){C[x] += value;x += lowbit(x);}
}
完整代码
#include<stdio.h>
#include<string.h>int a[10005];
int c[10005];
int n;int lowbit(int x){return x&(-x);
}int getSum(int x){int ans = 0;while(x > 0){ans += c[x];x -= lowbit(x);}return ans;
}void update(int x, int value){a[x] += value;while(x <= n){c[x] += value;x += lowbit(x);}
}int main(){while(scanf("%d", &n)!=EOF){memset(a, 0, sizeof(a));memset(c, 0, sizeof(c));for(int i = 1; i <= n; i++){scanf("%d", &a[i]);update(i, a[i]);}int ans = getSum(n-1);printf("%d\n", ans);} return 0;
}
参考:https://www.cnblogs.com/findview/archive/2019/08/01/11281628.html
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