逻辑之旅

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特点

1. 针对 数组连续子序列累加和 问题(需要进行频繁的 update、sum 操作);

2. 并非是树型结构,只是逻辑上层次分明;

3. 可以通过 填坑法 来理解;

4. 中心思想:每一个整数都可以由几个 二进制指数的相加和 来进行唯一表示。

 

中心思想

每一个整数都可以由几个二进制指数的相加和唯一表示:

11    =  2^3  +  2^1  +  2^0
01011 = 01000 + 00010 + 00001 //二进制表示

在Binary Indexed Tree 中,上述的思想应用体现在:

我们需要下标为 1~11 的元素的累加和, 要 1~8 的累加和,加上 9~10 的累加和, 最后加上 11 的累加和。

 

填坑法图解 Binary Indexed Tree

数组例子:

数组:[ 0, 2, 0, 1, 1, 1, 0, 4, 4, 0, 1, 0, 1, 2, 3, 0 ]
下标:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 11 12 13 14 15 16

为了简化后续操作,我们将上例中数组下标改为从 1 开始。

 

 第一层:在1~16区间内,在下标为 2的指数 的BIT数组元素位置中,填充  从1开始所有下标为  2的指数(1, 2,4,,8,16) 的区间和。

第二层:在所有未填充区间中,设每个区间开头下标为 start,在下标为 start+2的指数 的BIT数组元素位置中,填充 从start开始下标为 start+2的指数 的区间和。

第三层,依照第二层的填坑方法类推,填充 7~7, 11~11, 13~15 区间。

第四层,以此类推,填充最后一个 坑 15~15。

从上述过程可以看出,Binary Indexed Tree 实际上是个层次分明的结构。

填坑法的角度来看,就是在每个坑中的第1、2、4、8、16……个位置上,填入从 坑的 start 位置 到 该位置 上所有元素的 sum 值;

第一层只有一个大坑,而第二层的坑 则是第一层填坑后留下的所有空洞位置;第三层的坑则是第一层和第二层填补后留下的所有空洞位置……

 从下标的二进制表示来看,坑就是 0 的位置(多个 0 聚一起形成一个大坑):

第一层      00000 (这里假设第一层是一个大坑)
填坑      00001 (1)
       00010 (2)
       00100 (4)
       01000 (8)
       10000 (16)
第二层   00001          00010           00100            01000            10000 (第二层有3个坑)
---------------------------------------------------------------------------------------------

填坑    无            00011(3)       00101 (5)       01001 (9)         无
                                       00110 (6)      01010 (1001100 (12)   
……

 

注意区分几个概念:

1. 坑是指什么?从什么位置开始,到什么位置结束?-->下标二进制表示中 0 的聚合形成坑

2. 在BIT数组中填充的究竟是什么? --> 某个坑中从 坑的开始位置 到 该BIT数组下标位置 的区间和

3. 如果确定每一层要操作的BIT数组下标? 
   --> 可以根据下标的二进制表示,先确定坑有多大,再把坑中最后一个0变为1,然后把这个1依次左移,直到到达坑的开始位置;
       就可以得到一系列需要填充的区间结束位置,结合坑的开始位置,计算出该区间的和,填入 BIT[区间结束位置] 中。

 

Sum 操作

 

数字操作原理:

15 -> 14 -> 12 ->8
01111 -> 01110 -> 01100 -> 01000  //从右往左,依次把 1 反转为 0
15 = 01000 (1-8) + 00100 (9-12) + 00010 (13-14) + 00001 (15)

 

 代码实现:

求 1~K 区间和
从 K 开始,依次翻转 K 的二进制表示 的最后一个 1 来获取 K1, K2, ……直至归零,然后:
Sum(1~K) = BIT[K] + BIT[K1] + BIT[K2] + ......

 

 翻转最后一个 1 的小技巧:

利用补码
15的补码:       00001111
-15的补码:      11110001
两者按位相与,得到 00000001,即15二进制表示的最后一位1
所以直接让 15 减去 得到的这最后一位1就好。

 

所以推导下一位的代码是:

BIT[K] = BIT[K - (K & -K)]

 

 时间复杂度

O(logn)

 

 Update 操作

对数组下标6的元素 +2示例:

数字操作原理:

 

6 -> 8 ->16
00110 -> 01000 -> 10000
00110 + 00010 = 01000
01000 + 01000 = 10000
//让 K 加上其二进制表示的最后一位 1 形成的数字,即可推导出下一项的下标

 

 推导下一项代码实现:

BIT[K] = BIT[K + (K & -K)]

 

时间复杂度:

O(logn)

 

 

Binary Indexed Tree的建立

把初始数组设为全为 0 的数组,然后依次把数组中的元素进行一次 update操作,就完成了 BIT 数组的构建。

时间复杂度:

O(nlogn)

 

其他观察

以 1 为初始下标,BIT数组中的奇数下标的元素都是直接存了原数组元素的值,而偶数下标的原数组的值也可以通过BIT数组在比较小的消耗情况下得到。

所以,Binary Indexed Tree在一定效率容忍情境下,可以用BIT数组取代原数组,不必保留原数组(省去空间)

BIT数组还可以被拓展到多维的应用????(后续看到相关资料将补充)

 

参考链接:https://www.cnblogs.com/whensean/p/6851018.html

 

posted on 2019-05-16 20:52  LinMiaoj  阅读(662)  评论(0编辑  收藏  举报