线段树（已修改+补题

 

线段树原理　　　　

　　　　线段树是一颗二叉树，他的每个节点对应的都是一个区间，主要是通过对区间的分割和合并来修改节点的值， 然后再得到答案。

 　　　  现在给你一个 目的为求区间和 所造出来的线段树 线段树。如下图所示。

仔细观察，第一二三行方框内的值是他的下面2个子区间的和， 第四行的方框内的数字代表的是自身的值， 蓝色代表的是这个方框他包含的区间， 红色代表的是这个元素在数组中所储存的位置。（在绝大多数博客中，我们默认区间的左儿子他的下标是当前区间下标的2倍，右儿子的下标是当前区间的2倍再加上1，这个下标是认为定义的，你也可以将对应关系修改）。

为什么说用线段树可以节省求和时间呢， 假设我们需要查找区间 [1,8] 的和， 对于这个不用多说， 我们可以直接将最上面的那个46输出，因为最上面的那个矩形代表的就是区间 [1,8] 的和。

然后假设我们要查找区间 [3,7] 的和， 刚开始我们出现在区间 [1,8]的位置， 但是对于目标区间来说 [1,8] 太大了， 所以我们要继续往下走， 走到 [1,4] 和 [5,8] 的区间， 但是对于这2个区间来说， 还有一部分区域是落在查询区间之外的， 所以我们需要继续往下走，我们先分析区间 [1,4] , 对于他左儿子的区间[1,2]来说，没有任意一个点是落在查询区间内的， 所以我们不需要走到他的左儿子处， 然后走到右儿子[3,4]，可以发现 [3,4] 倍查询区间覆盖了， 所以我们就不需要往下走了， 因为整个区间都倍覆盖了， 直接将这个点的值返回就好了， 因为这个点就是他下面节点的和。 然后我们再看区间[5,8]， 先往左走， 走到左儿子区间 [5,6] ，也可以发现该区间倍查询区间覆盖了，就不需要往下走了， 返回该节点的值，对于右儿子节点 [7,8] 来说，只有一部分区域倍查询区间覆盖， 所以我们还需要往下走，继续往左边走， 发现 [7,7] 是合法区域， 返回该值， {8,8]不是合法区域，所以不对这快里的数据进行处理。 所以最后的结果就是 [3,4] + [5,6] + [7,7] 这3个区间的和。 可能你会说就5个点而已， 我直接加过去时间也就这样， 的确， 当点数小的时候线段树的优势并不会很明显，但是如果查询的区间长度会到达 1e5的话， 那么线段树就可以省下很多时间了。

 

线段树的某段区间内的值是可以修改的。

假设我们修改了区间[2,2]的值

我们就需要更新一下所有区间内含2的区间， 也就是顺着[2,2]一直往上走 按次序更新 [2,2]  -> [1,2] -> [1,4] -> [1,8] 这四个区间的值， 更新完了之后就可以继续愉快的去查询区间和了。 

可以发现， 每一次对于一个点更新之后， 她执行的点的数目就是logn个， 如果你使用的是前缀和去写的话， 就需要约更新n 个节点。 

代码实现

　　

1，建树，对于一颗树需要先建树。这里用到的是递归建树。　

void Build(int l, int r, int rt){ // l,r 代表的是这个区间内的左端点 和 右端点， rt代表的是 [l,r] 这个区间内的值是存在哪一个位置的。
    if(l == r){
        scanf("%d", tree[rt]); /// tree[rt] = a[l]; 
        return ;
    }
    int m = (l+r) / 2;
    Build(l,m,rt*2); // 对于区间区分，我们一般将m点划入左半边区间
    Build(m+1,r,rt*2+1);
    PushUp(rt); // PushUp 函数是通过2个子节点来更新现在这个节点的状态， 对于不同的要求需要不同的写法。
}

建树（有注释）

 

2，通过子节点来更新目前节点。　　

void PushUp(int rt){
      tree[rt] = tree[rt*2] + tree[rt*2+1]; ///区间和的更新操作
 }
 void PushUp(int rt){
     tree[rt] = max(tree[rt*2], tree[rt*2+1]);///求区域最大值的更新操作
 }

 

3，更新某个节点。

void Update(int l, int r, int rt, int L, int C){ // l,r,rt 与前面的定义一样， L代表的是要更新区间的位置，C代表的是修改后的值
    if(l == r){              /// 这里不能写成 if(l == L) 因为有可能左端点恰好是要更新的位置， 但是还有右端点， 我们直接更新的只有区间 [L,L]。
        tree[rt] = C;
        return ;
    }
    int m = (l+r) / 2;
    if(L <= m) Update( l, m, rt*2, L, C); //要更新的区间在左边部分，所以往左边走，更新左边
    else Update(m+1, r, rt*2+1, L, C); //要更新的区间在右边部分， 往右边走，更新右边
    PushUp(rt); //更新完子节点之后需要更新现在的位置， 需要保证线段树的性质。
}

单点更新（有注释）

 

4, 查询区间和

查询的规则前面已经解释过一次了。

int Query(int l, int r, int rt, int L, int R){// [L,R]为查询区间
    if(L <= l && r <= R){  // 如果成立则满足查询区间覆盖了当前区间， 直接返回当前区间的值
        return tree[rt];
    }
    int m = (l+r) / 2;
    int ret = 0;
    if(L <= m) ret += Query(l, m, rt*2, L, R); //左边有一部分需要查询的区域。
    if(m < R) ret += Query(m+1, r, rt*2+1, L, R);//右边有一部分。
    return ret;
}

区间查询（有注释）

 

总结

1。首先对于大多数线段树题目来说， 第一步就是建树。 建树用法 Build(1,n,1)， [1,n]就是第一个节点所代表的区间长度。

2。在每次更新了点之后，为了保证线段树性质， 一定要去执行PushUP操作，保证线段树的性质不丢失。

3。线段树的精华就是，每一个节点代表着一段区间，这个节点的值，就是他所代表的区间内的值。

4。当底层节点只有5个点的时候， 我们处理线段树时， 需要将他变成8个节点， 如果给9个节点， 那么底层节点必须要有16个节点， 所以为了保证空间足够用，所以需要将空间开大2倍，然后由于每一层的上方都还有 m/2个点（m为该层节点的数目）。

所以空间需要再大两倍， 最终合起来就是4倍。 所以我们需要开 4n 的空间。

 

HDU-1166 线段树求区间和

#include<cstdio>
#include<cstring>
const int N = 50000+5;
int tree[N<<2], a[N];
void PushUp(int rt) {
    tree[rt] = tree[rt<<1]+tree[rt<<1|1];
}
void Build(int l, int r, int rt){
    if(l == r) {
        tree[rt] = a[l];
        return ;
    }
    int m = l+r >> 1;
    Build(l, m, rt*2);
    Build(m+1, r, rt*2+1);
    PushUp(rt);
}
void Update(int l, int r, int rt, int L, int C){
    if(l == r){
        tree[rt] += C;
        return ;
    }
    int m = l+r >> 1;
    if(L <= m) Update(l, m, rt*2, L, C);
    else Update(m+1, r, rt*2+1, L, C);
    PushUp(rt);
}
int Query(int l, int r, int rt, int L, int R){
    if(L <= l && r <= R) return tree[rt];
    int ans = 0;
    int m = l+r >> 1;
    if(L <= m) ans += Query(l, m, rt*2, L, R);
    if(m < R)  ans += Query(m+1, r, rt*2+1, L, R);
    return ans;
}
int main()
{
    int t, n, x, y;
    char str[100];
    scanf("%d", &t);
    for(int i = 1; i <= t; i++) {
        printf("Case %d:\n", i);
        int n;
        scanf("%d", &n);
        for(int i = 1; i <= n; i++) scanf("%d", &a[i]);
        Build(1,n,1);
        while(~scanf("%s", str) && strcmp(str,"End") != 0) {
            scanf("%d%d", &x, &y);
            if(str[0] == 'Q') printf("%d\n", Query(1, n, 1, x, y));
            else if(str[0] == 'A') Update(1, n, 1, x, y);
            else if(str[0] == 'S') Update(1, n, 1, x, -y);
        }
    }
    return 0;
}

 

 

HDU-1754 线段树求区间最大值

 

 

#include<cstdio>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int N = 200005;
int tree[N<<2], a[N];
void PushUp(int rt) {
    tree[rt] = max(tree[rt<<1], tree[rt<<1|1]);
}
void Build(int l, int r, int rt) {
    if(l == r) {
        tree[rt] = a[l];
        return ;
    }
    int m = l+r >>1;
    Build(l, m, rt*2);
    Build(m+1, r, rt*2+1);
    PushUp(rt);
}
void Update(int l, int r, int rt, int L, int C) {
    if(l == r) {
        tree[rt] = C;
        return;
    }
    int m = l+r >> 1;
    if(L <= m) Update(l, m, rt*2, L, C);
    else Update(m+1, r, rt*2+1, L, C);
    PushUp(rt);
}
int Query(int l, int r, int rt, int L, int R) {
    if(L <= l && r <= R)  {
        return tree[rt];
    }
    int ret = -N, m = l+r >> 1;
    if(L <= m) ret = max(ret, Query(l, m, rt*2, L, R));
    if(m < R) ret = max(ret, Query(m+1, r, rt*2+1, L, R));
    return ret;
}
int main()
{
    int n, m;
    char str[N];
    while(~scanf("%d%d", &n, &m)) {
        for(int i = 1; i <= n; i++)
            scanf("%d", &a[i]);
        Build(1,n,1);
        int i, j;
        while(m--) {
            scanf("%s%d%d", str, &i, &j);
            if(str[0] == 'Q'){
                if(i > j) swap(i, j);
                printf("%d\n", Query(1,n,1,i,j));
            }
            else if(str[0] == 'U')
                Update(1,n,1,i,j);
        }
    }
    return 0;

}

 

区间更新 lazy标记

现在我们突然遇到这样一个题目

POJ-3468

这个题目和上面题目不同的地方是更新， 在这个题目中， 他更新数据是成段更新， 上面的题目都是一个点一个点更新， 并且更新的次数不是很少， 我们不可能去像点更新一样， 将这些区域内的点都一个个更新过去。

前面提到过，线段树的每一个节点都代表着一段区间的性质， 所以假如我们需要对于区间 [5,8] 里面的数都加上 10。（基于更新[2,2]后的那个线段树）。

如果我们将一个个点覆盖过去之后， 现在的这课树是这样的。

我们可以发现对节点3来说， 他所管辖的区间[5,8]都是要被更新的区间，并且他增加的指为40，即 区间长度（4） * 修改的值（10）。 我们可以发现，在区域更新的时候， 对于一个节点来说， 如果他所管理的区间 被 要更新的区间 覆盖了， 那我们就提早了知道这一个节点的值。

然后我们引入一个概念， lazy标记， 还是对于开头的情况来说， 如果我们使用了lazy标记之后， 这一课线段树是这样的

在这一颗树上， 我们只修改了2个节点， 同时在节点3处增加了一个 lazy标记， 在这个标记中 lazy = 10。(即整段区间内每一个点都要加上的值）。接下来， 我们如果询问区间[1,8]的和， 我们直接返回节点1就好了。  如果我们询问区间 [3,8] 的和 那么只需要返回 [3,4] + [5,8] 的值。 我们可以看见如果不访问[5,8]的子区间的时候， 我并不会用到里面的值。 在这些时候， 我们并不需要更新里面的值， 更不更新都一样， 不会被访问到。

如果我们现在需要查询 [1,5]的和， 我们只需要将 lazy 标记下推，然后再更新对应的区间就好了。

然后我们返回 [1,4] + [5,5] 的值就好了。 

总结就是：

lazy标记的含义就是延迟更新，在我们不需要访问区间内部时就保留lazy标记的值，如果需要访问内部的时候，我们要先将lazy标记下推， 因为可能lazy标记还需要继续往下走。

在区域更新的时候，如果 当前区间 被 更新的区间完全覆盖了， 就直接在这个节点加上 区间长度*修改的值， 并且更新这个点的lazy标记。

操作代码：

PushDown --- 将lazy标记下推

void PushDown(int rt, int llen, int rlen){
    if(lazy[rt]){
        lazy[rt*2] += lazy[rt];
        lazy[rt*2+1] += lazy[rt];
        tree[rt*2] += lazy[rt] * llen;
        tree[rt*2+1] += lazy[rt] * rlen;
        lazy[rt] = 0;
    }
}

PushDown

void Update(int l, int r, int rt, int L, int R, int C){
    if(L <= l && r <= R){
        tree[rt] += (LL)C*(r-l+1);
        lazy[rt] += C;
        return;
    }
    int m = (l+r) / 2;
    PushDown(rt, m-l+1, r-m);
    if(L <= m) Update(l, m, rt*2, L, R, C);
    if(m < R) Update(m+1, r, rt*2+1, L, R, C);
    PushUp(rt);
}

区域更新

LL Query(int l, int r, int rt, int L, int R){
    if(L <= l && r <= R) return tree[rt];
    LL ans = 0;
    int m = (l+r) / 2;
    PushDown(rt, m-l+1, r-m);
    if(L <= m) ans += Query(l, m, rt*2, L, R);
    if(m < R) ans += Query(m+1, r, rt*2+1, L, R);
    return ans;
}

查询

 

 

 

 

注意的就是每次对子区间进行修改的时候，我们都需要提前先把lazy标记下推。

 

 

所以一开始的那个题目我们就可以做了。

#include<cstdio>
#define LL long long
const int N = 1e5+10;
LL tree[N<<2];
LL lazy[N<<2];
int a[N];
void PushUp(int rt){
    tree[rt] = tree[rt*2] + tree[rt*2+1];
}
void PushDown(int rt, int llen, int rlen){
    if(lazy[rt]){
        lazy[rt*2] += lazy[rt];
        lazy[rt*2+1] += lazy[rt];
        tree[rt*2] += lazy[rt] * llen;
        tree[rt*2+1] += lazy[rt] * rlen;
        lazy[rt] = 0;
    }
}
void Build(int l, int r, int rt){
    lazy[rt] = 0;
    if(l == r){
        tree[rt] = a[l];
        return ;
    }
    int m = (l+r) / 2;
    Build(l, m, rt*2);
    Build(m+1, r, rt*2+1);
    PushUp(rt);
}
void Update(int l, int r, int rt, int L, int R, int C){
    if(L <= l && r <= R){
        tree[rt] += (LL)C*(r-l+1);
        lazy[rt] += C;
        return;
    }
    int m = (l+r) / 2;
    PushDown(rt, m-l+1, r-m);
    if(L <= m) Update(l, m, rt*2, L, R, C);
    if(m < R) Update(m+1, r, rt*2+1, L, R, C);
    PushUp(rt);
}
LL Query(int l, int r, int rt, int L, int R){
    if(L <= l && r <= R) return tree[rt];
    LL ans = 0;
    int m = (l+r) / 2;
    PushDown(rt, m-l+1, r-m);
    if(L <= m) ans += Query(l, m, rt*2, L, R);
    if(m < R) ans += Query(m+1, r, rt*2+1, L, R);
    return ans;
}
int main(){
    int n, m, i, j, c;
    char str[N];
    while(~scanf("%d%d", &n, &m)){
        for(int i = 1; i <= n; i++)
            scanf("%d", &a[i]);
        Build(1, n, 1);
        while(m--){
            scanf("%s", str);
            if(str[0] == 'Q'){
                scanf("%d%d", &i, &j);
                printf("%lld\n", Query(1,n,1,i,j));
            }
            else if(str[0] == 'C'){
                scanf("%d%d%d", &i, &j, &c);
                Update(1,n,1,i,j,c);
            }
        }
    }
    return 0;
}

POJ-3468

 

 

再来一道

HDU-1698 

#include<cstdio>
#define LL long long
const int N = 1e5+10;
int tree[N<<2];
int lazy[N<<2];
int a[N];

void PushUp(int rt){
    tree[rt] = tree[rt*2] + tree[rt*2+1];
}
void Build(int l, int r, int rt){
    lazy[rt] = 0;
    if(l == r){
        tree[rt] = 1;
        return ;
    }
    int m = (l+r) / 2;
    Build(l, m, rt*2);
    Build(m+1, r, rt*2+1);
    PushUp(rt);
}
void PushDown(int rt, int llen, int rlen){
    if(lazy[rt]){
        lazy[rt*2] = lazy[rt];
        lazy[rt*2+1] = lazy[rt];
        tree[rt*2] = lazy[rt] * llen;
        tree[rt*2+1] = lazy[rt] * rlen;
        lazy[rt] = 0;
    }
}
void Update(int l, int r, int rt, int L, int R, int C){
    if(L <= l && r <= R){
        tree[rt] = C*(r-l+1);
        lazy[rt] = C;
        return;
    }
    int m = (l+r) / 2;
    PushDown(rt, m-l+1, r-m);
    if(L <= m) Update(l, m, rt*2, L, R, C);
    if(m < R) Update(m+1, r, rt*2+1, L, R, C);
    PushUp(rt);
}
int main(){
    int t, n, m, i, j, c;
    scanf("%d", &t);
    for(int cas = 1; cas <= t; cas++){
        scanf("%d%d", &n, &m);
        Build(1, n, 1);
        while(m--){
            scanf("%d%d%d", &i, &j, &c);
            Update(1, n, 1, i, j, c);
        }
        printf("Case %d: The total value of the hook is %d.\n", cas, tree[1]);
    }
    return 0;
}

HDU-1698

 

 

 

到此关于线段树的查询 单点更新 区域更新都介绍完了。

还有一种特殊的思想是： 线段树求逆序对。

可以通过树形数组来实现

 https://www.cnblogs.com/MingSD/p/9058037.html