谈谈树状数组

合集 - algorithm(8)

1.乘法模运算逆元2023-11-212.kd-tree2023-11-223.有向图求强连通分量的几种算法2023-11-284.关于树和图的各种序2023-11-28

5.谈谈树状数组2023-12-15

6.KMP与自动机2023-11-237.字符串hash相关2023-11-238.不同的快排算法2024-10-09

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fenwick tree

树状数组已经是时代的眼泪了
感觉随着各种版本的线段树出世, 连区间和时间上都跟树状数组差不多了, 而且就我个人而言, 线段树比树状数组更容易理解一些
但是毕竟树状数组码量要小, 简单也是优势

复杂度

可差分信息, 比如区间和, 是可以logn维护的, 哪怕是区间加和, 也可以用两个数组来维护
而不可差分信息， 比如区间max值, 只能(logn)^2来维护, 所幸(logn)^2并不大

不同的写法

有太多种不同的写法了
很多人写fenwick tree是拿lowbit写, 下标从1开始
然而我抄来的板子是从0开始的, 我也比较喜欢从0开始的数组

template <typename T>
class fenwick
{
public:
    vector<T> fenw;
    int n;
    fenwick(int _n) : n(_n)
    {
        fenw.resize(n);
    }
    void modify(int x, T v)
    {
        while (x < n)
        {
            fenw[x] += v;
            x |= (x + 1);
        }
    }
    void get(int x)
    {
        T v{};
        while (x >= 0)
        {
            v += fenw[x];
            x = (x & (x + 1)) - 1;
        }
        return v;
    }
};

如何理解树状数组

lowbit当然好理解, 每个vec[i]维护的是从i开始往前的lowbit位的数据
每次add的时候, 需要通过+lowbit找到自己的所有父(这里用类似线段树的方式表达了一下同样需要保存这份数据的区间)加上数据
而query(x)的时候, vec[x]保存了lowbit(x)个元素, x-lowbit指的是剩余需要求的元素数量, 来到vec[x-lowbit]继续求

而x|(x+1)其实是什么呢?
放几张图
第一张是lowbit函数作用在[1, 1025)上的函数图像

第二张是x|(x+1)作用在[0, 2048)上的函数图像

能看出什么规律来吗?
有点类似是吧
然后我要放一张(x|(x+1))-x作用在[0, 2048) 的图像

do you get it?
如果你把他们的值打印出来的话
你会发现, 他们在区间上每一位所管辖的位数就是一样的.
为什么呢? 还记得lowbit是如何跳区间的吗?

void add(int x, int z)
{
    while (x <= n)
    {
        c[x] += z;
        x += lowbit(x);
    }
}

而第二种方法是如何跳区间的?

void modify(int x, T v)
{
    while (x < n)
    {
        fenw[x] += v;
        x |= (x + 1);
    }
}

一切尽在不言中, 如果再说仔细一些的话, 这之间的区别只是位运算的一些技巧区别

arr1 = np.arange(0, 1000)
arr2 = np.arange(1, 1001)
def op4(x):
    return (x|(x+1))+1
np.vectorize(op4)(arr1)
def op5(x):
    return x+(x&(-x))
np.vectorize(op5)(arr2)

这俩矩阵的输出是一模一样的
另一个当然也是

用法

• log(n)
  在需要区间加和的时候, 一般是使用差分数组的思维, 只修改前后两个值, 这是2log(n)的复杂度
  那查询呢?
  
  维护两个数组即可

• (log(n))^2
  计算不可差分值的时候, 也就是(x&(x+1))-1跳到l左边的话, 就别跳了, 改成x-1, 这个区间合并的过程是logn的, 所以整体复杂度是(logn)^2