AcWing 一维前缀和与二维前缀和

一、一维前缀和

场景模拟：

老师让 班长糖豆 帮着计算一下全班同学语文考试的总分，老师负责读每个同学的分数，糖豆负责计算。

老师：“第一名，张三 $100$分”， 糖豆记录如下：$100$分
老师：“第二名，李四 $99$分”， 糖豆 擦去 $100$，修改为：$199$分
老师：“第三名，王五 $98$分”， 糖豆 擦去 $199$，修改为：$297$分
...
老师：“第四十五名，赵九 $60$分”， 糖豆 擦去 $4179$,修改为：$4239$分

完事了，糖豆汇报总分：“$4239$分！任务结束！”

老师想了一想，问了一句：“那前十名共多少分？”

糖豆有点懵，因为把前十位的结果已经擦去啦！只能让老师从第一名开始到第十名再读一次。^_

老师又想问:"那前二十名共多少分？"

糖豆彻底懵了，只能让老师从第一名开始到第二十名再读一次。^_

老师也疯了！！！

看来这个办法不太行，老师的需求总变化！

那有什么办法呢？？糖豆会有办法的：

记录前$i$个同学的分数总和!不擦！

来吧，老师，你说你想要啥？

我想要前$20$名的分数总和！没问题，我记的就是这个，给你！

我想要$20$至$30$名的分数总和！啊？？？还想这么要？怎么办呢？

我们用数学的公式来描述一下，这样方便说明：

$a[i]$代表$i$号同学分数，$s[i]$代表$i$号同学及他以前的所有同学的分数总和。

那么有下面的关系式：
$s[i-1]=a[1]+a[2]+a[3]+...+a[i-1]$ ①

$s[i]=\ \ \ \ \ \ \ a[1]+a[2]+a[3]+...+a[i-1]+a[i]$ ②

将①式代入②式，得到
$s[i]=s[i-1]+a[i]$ ③

如果记录了这个$s[i]$，就能回答好多的问题：

1、第$5$名同学的分数是多少？
答：$s[5]-s[4]$ ，为啥呢？因为③式的变形 $a[i]=s[i]-s[i-1]$

2、第$1$名到第$10$名同学的分数和是多少？
答：$s[10]$ 为啥呢？因为前缀和定义就是从1到i的数据和嘛。

3、第$5$名到第$10$名同学的分数和是多少？
答：$s[10]-s[4]$

为啥呢？
其实我们想求的是：$a[5]+a[6]+a[7]+a[8]+a[9]+a[10]$
我们使用$s[i]$来构建上面的式子:

$s[4]=a[1]+a[2]+a[3]+a[4]$ ①

$s[10]=a[1]+a[2]+a[3]+a[4]+a[5]+...+a[10]$ ②

将①式代入②式，就是$s[10]=s[4]+a[5]+a[6]+a[7]+a[8]+a[9]+a[10]$

移项得到:$s[10]-s[4]=a[5]+a[6]+a[7]+a[8]+a[9]+a[10]$

注意:
前缀和一般从数下标$1$开始，这是因为它的定义是$s[i]=s[i-1]+a[i]$,如果$i$从$0$开始，$s$数组下标就会出现负数，这样还需一堆$if$判断，麻烦，所以，一般为了代码简单，我们都把$a[0]=0$,通常在全局变量区域里定义$a$数组，这样连$a[0]=0$也省略了，$s[0]$其实也是定义在全局变量区域的，所以$s[0]=0$，这样操作代码就简单了。

1. 使用场景

给定一个原始数组，后面需要多次查询某一个的数值和，比如 $1$ $2$ $3$ $4$ $6$ $3$ $7$ $8$ $9$ $10$，$10$个数字，需要问$N$次，每次问从x到y的位置，相加的和是几。

如果按普通想法，就是每问一次就计算一次，不利用以前的结果。这样假设每次的l到r的距离是m,很显然，共需要m*N次操作，如果使用了前缀和的预处理，计算一次前缀和，就是N次运算，得到一个结果数组s[N]，以后每次查询都是 $s[r]-s[l-1]$，就是一次运算，快了很多。

$AcWing$ $795$. 前缀和

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;
const int N = 100010;
int q[N];
int s[N];

//一维前缀和
int main() {
    int n, m;
    cin >> n >> m;
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        cin >> q[i];
        s[i] = s[i - 1] + q[i];
    }
    while (m--) {
        int l, r;
        cin >> l >> r;
        printf("%d\n", s[r] - s[l - 1]);
    }
    return 0;
}

$AcWing$ $796$. 子矩阵的和

什么是二维前缀和？

a[N][M]假设为原数组，s[N][M]为二维前缀和数组，s[i][j]的意义是：原数组前i行，前j列的数组元素值的和。
说白了，就是1->i行,1->j列的所有元素值的和，就是左上角的格子内容和：

本质上和一维前缀和是一个意思，一维是第1个元素到第n个元素的累加和，二维是从左上角到(i,j)的累加和。

1、公式的推导

$s[3][3]=a[1][1]+a[1][2]+a[1][3]$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ +a[2][1]+a[2][2]+a[2][3]$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ +a[3][1]+a[3][2]+a[3][3]$

$s[3][2]=a[1][1]+a[1][2]$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ +a[2][1]+a[2][2]$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ +a[3][1]+a[3][2]$

$s[2][3]=a[1][1]+a[1][2]+a[1][3]$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ +a[2][1]+a[2][2]+a[2][3]$

$s[2][2]=a[1][1]+a[1][2]$
$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ +a[2][1]+a[2][2]$

观察上面4个式子，我们想要计算$s[3][3]$，还不想用笨办法，一个个用$a[i][j]$来累加出来，就可以利用已经算出来的结果值进行运算获得！

$s[3][3]=s[3][2]+s[2][3]-s[2][2]+a[3][3]$

抽象一下，就是：(如果感觉看代数式子不好理解，就用上面图理解就行啦！)

$s[i][j]=s[i-1][j]+s[i][j-1]-s[i-1][j-1]+a[i][j]$

2、计算子区域的前缀和

3、C++ 代码

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;
const int N = 1010;
int a[N][N];
int s[N][N];

int main() {
    int n, m, q;
    cin >> n >> m >> q;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        for (int j = 1; j <= m; j++) {
            cin >> a[i][j];
            s[i][j] = s[i - 1][j] + s[i][j - 1] + a[i][j] - s[i - 1][j - 1];
        }

    while (q--) {
        int x1, y1, x2, y2;
        cin >> x1 >> y1 >> x2 >> y2;
        printf("%d\n", s[x2][y2] - s[x1 - 1][y2] - s[x2][y1 - 1] + s[x1 - 1][y1 - 1]);
    }
    return 0;
}

练习题

（一维前缀和） 洛谷 $P1614$ 爱与愁的心痛

前缀和和差分洛谷题单总结