统计子矩阵

合集 - 蓝桥杯(26)

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5.统计子矩阵2024-02-29

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一、题目描述

P8783 [蓝桥杯 2022 省 B] 统计子矩阵

二、算法简析

2.1 二维前缀和

我们知道，只要确定了矩阵的左上顶点和右下顶点，一个矩阵就被固定了。因此，我们可以遍历这两个顶点，达到遍历所有子矩阵的目的，复杂度会达到 \(O(N^2*M^2)\)。确定了子矩阵，就要判断子矩阵的值是否不大于 \(K\)。 如何能高效地得到子矩阵的值呢？答案是二维前缀和。
与普通的前缀和不同，二维前缀和 \(\text{psum[i][j]}=\) 左上顶点 \((1, 1)\)、右下顶点 \((i, j)\) 确定的子矩阵的值。通过以下表达式，可以得到二维前缀和：

\[\text{psum[i][j] = psum[i][j - 1] + psum[i - 1][j] - psum[i - 1][j - 1] + A[i][j]} \]

有了二维前缀和，就可以以 \(O(1)\) 确定左上角 \((x1, y1)\)、右下角 \((x2, y2)\) 的子矩阵的值：

\[\text{matrix\_val = psum[x2][y2] - psum[x1 - 1][y2] - psum[x2][y1 - 1] + psum[x1 - 1][y1 - 1]} \]

但是，该算法的复杂度仍然有 \(O(N^2*M^2)\)，会 LTE。

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2.2 压缩维度 + 双指针

压缩维度：我们可以把二维矩阵压缩至一维：画两条线，high 表示矩阵上界（左上点只能在该行）、low表示矩阵下界（右下点只能在该行）。因此，由 high 和 low 确定的子矩阵只能由列矩阵组合而成，所以按列压缩，即按列求和。

通过遍历 high 和 low，我们可以得到所有组成子矩阵的列矩阵。

双指针：通过上文的压缩，我们得到了“子矩阵的零件”。为了得到该情况下的所有子矩阵，肯定要用双指针遍历压缩数组，得到所有组合方式。

int B[4];   // 压缩后的结果

for (int i = 0; i < 4; i++)
	for (int j = i; j < 4; j++)
		\\ ...

显然，指针 j 发生了回溯，导致复杂度达到了 \(O(n^2)\)。如何避免发生回溯呢？利用单调性，我们可以把复杂度降为 \(O(n)\)。
我们规定 \(\text{area(left, right) = B[left] + B[left + 1] + ... + B[right]}\)。
若 \(\text{area(left, right) <= K}\) 且 \(\text{left + 1 <= right}\)，则 \(\text{area(left + 1, right) <= K}\)。
若 \(\text{area(left, right) > K}\) 且 \(\text{right + 1 <= M}\)，则 \(\text{area(left, right + 1) > K}\)。
显然，\(\text{area(left, right)}\) 随 \(\text{left}\) 单调递减，随 \(\text{right}\) 单调递增。

利用单调性，我们可以得到以下结果：

• 1、随 \(\text{left}\) 单调递减，若 \(\text{area(left, right) <= K}\)，则一共有 \(\text{right - left + 1}\) 种组合方式。
• 2、我们只需要遍历 right 就能得到所有子矩阵。因为单调性，若 \(\text{area(left, right) > K}\)，只需要 \(\text{left++}\)，直到 \(\text{area(left, right) <= K}\)。

int B[4];   // 压缩后的结果

int left = 1, right = 1;
ll tmp = 0;
for (; right <= 4; right++)
{
	tmp += B[right];
	if (tmp <= K)
		ans += right - left + 1;
	else
	{
		while (tmp > K)
		{
			tmp -= B[left];
			left++;	
		}
		ans += right - left + 1;
	}	
} 

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三、AC代码

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

const int MAX = 505;
typedef long long ll;

int A[MAX][MAX], N, M, K;
ll ans, psum[MAX][MAX], B[MAX];

int quickin(void)
{
	int ret = 0;
	char ch = getchar();
	while (ch < '0' || ch > '9')
		ch = getchar();
	while (ch >= '0' && ch <= '9' && ch != EOF)
	{
		ret = ret * 10 + ch - '0';
		ch = getchar();
	}
	return ret;
}

void init(void)
{
	for (int i = 1; i <= N; i++)
		for (int j = 1; j <= M; j++)
			psum[i][j] = psum[i - 1][j] + A[i][j];
}

void solve(void)
{
	for (int high = 1; high <= N; high++)
	{
		for (int low = high; low <= N; low++)
		{
			for (int i = 1; i <= M; i++)
				B[i] = psum[low][i] - psum[high - 1][i];
				
			int left = 1, right = 1;
			ll tmp = 0;
			for (; right <= M; right++)
			{
				tmp += B[right];
				if (tmp <= K)
					ans += right - left + 1;
				else
				{
					while (tmp > K)
					{
						tmp -= B[left];
						left++;	
					}
					ans += right - left + 1;
				}	
			} 
		}
	}
	
	cout << ans << endl;
}

int main()
{
	#ifdef LOCAL
	freopen("test.in", "r", stdin);
	#endif
	
	N = quickin(), M = quickin(), K = quickin();
	for (int i = 1; i <= N; i++)
		for (int j = 1; j <= M; j++)
			A[i][j] = quickin();
			
	init();
	
	solve();
	
	return 0;
}

---

完