数据结构 —— 树状数组
【概述】
树状数组又称二叉索引树,常用于高效计算数列的前缀和、区间和,其查询、修改的时间复杂度为 log(n),空间复杂度为 O(n)
树状数组通过将线性结构转化成树状结构,从而进行跳跃式扫描。
【原理】
1.对于一个普通的二叉树,叶子结点代表 A 数组的 A[1]~A[8]
2.将其进行简单的变形
3.然后定义每一列的顶端结点 C[] 数组,令 C[i] 代表子树的叶结点的权值之和
如上图,可知:
- C[1]=A[1]
- C[2]=A[1]+A[2]
- C[3]=A[3]
- C[4]=A[1]+A[2]+A[3]+A[4]
- C[5]=A[5]
- C[6]=A[5]+A[6]
- C[7]=A[7]
- C[8]=A[1]+A[2]+A[3]+A[4]+A[5]+A[6]+A[7]+A[8]
4.将 C[] 数组的结点序号转化为二进制
如上图,有:
- 1=(001),C[1]=A[1]
- 2=(010),C[2]=A[1]+A[2]
- 3=(011),C[3]=A[3]
- 4=(100),C[4]=A[1]+A[2]+A[3]+A[4]
- 5=(101),C[5]=A[5]
- 6=(110),C[6]=A[5]+A[6]
- 7=(111),C[7]=A[7]
- 8=(1000),C[8]=A[1]+A[2]+A[3]+A[4]+A[5]+A[6]+A[7]+A[8]
可以发现 C[i]=A[i-2^k+1]+A[i-2^k+2]+......A[i],其中,k 为 i 的二进制中从最低位到高位连续零的长度,例如:i=8 时,k=3
要注意的是,树状数组只能计算 A[1] 开始的和,A[0] 这个元素是不能用的
【具体实现】
1.lowbit(x)
lowbit(x) 就是取出 x 的最低位 1,换言之 lowbit(x)=2^k,k 为 i 的二进制中从最低位到高位连续零的长度
那么有:C[i] = A[i-2^k+1]+A[i-2^k+2]+......A[i] = A[i-lowbit(i)+1]+A[i-lowbit(i)+2]+......A[i]
对于一个数 x,想求其 lowbit,可借助 x 的负数 -x,进行与运算
例如:
t = 6(0110),此时 k=1
-t = -6 = (1001+1) = (1010)
t&(-t) = (0010) = 2=2^1
//返回i的二进制最右边1的值
int lowbit(int t){
return t&(-t);
}
2.区间查询
利用 C[] 数组,求 A 数组中前 i 项的和 sum[i]
- 以 i=7 为例:sum[7] = A[1]+A[2]+A[3]+A[4]+A[5]+A[6]+A[7]
其中:C[4] = A[1]+A[2]+A[3]+A[4],C[6] = A[5]+A[6],C[7]=A[7]
那么:sum[7] = C[4]+C[6]+C[7]
改写为二进制:sum[(111)] = C[(100)]+C[(110)]+C[(111)] - 以 i=5 为例:sum[5] = A[1]+A[2]+A[3]+A[4]+A[5]
其中:C[4] = A[1]+A[2]+A[3]+A[4],C[5]=A[5]
那么:sum[5] = C[4]+C[5]
改写为二进制:sum[(101)] = C[(100)]+C[(101)];
仔细观察最后改写为二进制的数组,可以发现,树状数组根本上来说就是二进制的应用。
对于要求的前 x 项的和,每次加上 C[x],然后令 x=x-lowbit(x),如此循环往复,直到 x-lowbit(x)=0 为止
- 以 i=7 进行演示
7(111),ans+=C[7]
7-lowbit(7) = 7-lowbit(111) = 7-1 = 6(110),ans+=C[6]
6-lowbit(6) = 6-lowbit(110) = 6-2 = 4(100),ans+=C[4]
4-lowbit(4) = 4-lowbit(100) = 4-4 = 0(000)
故有:sum[7] = C[4]+C[6]+C[7] - 以 i=5 进行演示
5(101),ans+=C[5]
5-lowbit(5) = 5-lowbit(101) = 5-1 = 4(100),ans+=C[4]
4-lowbit(4) = 4-lowbit(100) = 4-4 = 0(000)
故有:sum[5]=C[5]+C[4]
//返回A[1]+...A[i]的和
int getSum(int i){
int res=0;
while(i>0){
res+=C[i];
i-=lowbit(i);
}
return res;
}
3.单点更新
当修改 A[] 数组中的某一个值时,需要对 C[] 数组进行更新
如图:
当更新 A[1] 时,需要向上更新 C[1]、C[2]、C[4]、C[8], 将 C[1]、C[2]、C[4]、C[8] 改写为二进制:C[(001)]、C[(010)]、C[(100)]、C[(1000)]
则:
1(001),C[1]+=A[1]
1+lowbit(1) = 1+lowbit(1) = 1+1 = 2(010),C[2]+=A[1]
2+lowbit(2) = 2+lowbit(010) = 2+2 = 4(100),C[4]+=A[1]
4+lowbit(4) = 4+lowbit(100) = 4+4 = 8(1000),C[8]+=A[1]
可以发现:更新过程是查询过程的逆过程。
//令A[i]+=val
void add(int i,int val){
while(i<=n){
C[i]+=val;
i+=lowbit(i);
}
}
【模版】
const int N=10000+5;//最大元素个数
int n;//元素个数
int c[N];//c[i]==A[i]+A[i-1]+...+A[i-lowbit(i)+1]
//返回i的二进制最右边1的值
int lowbit(int i){
return i&(-i);
}
//返回A[1]+...A[i]的和
int getSum(int i){
int res=0;
while(i>0){
res+=c[i];
i-=lowbit(i);
}
return res;
}
//令A[i]+=val
void add(int i,int val){
while(i<=n){
c[i]+=val;
i+=lowbit(i);
}
}
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