线段树

首先提出一个问题： 
给你n个数，有两种操作：
1：给第i个数的值增加X

2：询问区间[a,b]的总和是什么？

输入描述

输入文件第一行为一个整数n，接下来是n行n个整数，表示格子中原来的整数。接下一个正整数q，再接
下来有q行，表示q个询问，第一个整数表示询问代号，询问代号1表示增加，后面的两个数x和A表示给
位置X上的数值增加A，询问代号2表示区间求和，后面两个整数表示a和b，表示要求[a,b]之间的区间和。

样例输入

4

7 6 3 5

2

1 1 4

2 1 2

样例输出

17

数据范围

1 <= n,q <= 100000

看到这个问题，最朴素的想法是用一个数组模拟，求和时 [ a , b ]中逐个累加 ， 最后输出 。
但是，由于数据量比较大，时间复杂度太高，时间上无法承受。

这时我们可以用线段树( Segment Tree )，这种特殊的数据结构解决这个问题。

那么什么是线段树呢？

这就是一棵典型的线段树

 

 

一 般的线段树上的每一个节点T[a , b]，代表该节点维护了原数列[ a , b ]区间的信息。对于每一个节点他至少有
三个信息：左端点，右端点，我们需要维护的信息（在本题中我们维护区间和）。由于线段树是一个二叉树，而且是一个平衡二叉树，如果当前结点的编号是i，左端点为L ，右端点为 R ， 那么左儿子的 编号为 i*2 ，左端点为 L ，右端点为 （L + R)/2 ; 同理右儿子的 编号为 i*2+1，左端点为（L+R)/2 ，右端点为 R
。如果当前结点的左端点等于右端点，那么该节点就是叶子节点，直接在该节点赋值即可。显然线段树是递归定义的。

 

线段树就是这样一种数据结构，讲一个大区间分为若干个不相交的区间，每次维护都在小区间上处理，并且查


询也在这些被分解的区间中信息合并出我们需要的结果，这就是线段树高效的原因。

 

线段树的存储：

线段树的存储可用链表和数组模拟。（本文采用数组写法，便于理解）

1.链表存储：

struct node
{
     int Left, Right;
     node *Leftchild , *Rightchild;
};

2.数组模拟

struct Tree
{

    int l, r;
    int sum;

} tr[maxN*4];

 

注意：数组的空间要开四倍大小，防止访问越界。（理论上是2n-1的空间，但是递归建立树的时候，我们是从根出发向下递归， 当前节点为r，左右孩子分别是2*r，2*r+1。 由于取中间值mid，将区间平分的过程中，区间长度可能是单数，造成左右区间[left, mid],[mid+1, right] 的长度不同，必然最后存在某一层有的节点可以再分，有的却不能再分，从而致使整棵树并不是像上图那样，所有分支都有叶子节点。 这样一来有一些数组的位置就被浪费了，所以实际数组大小要大于2n-1 )

建树：

线段树的构建是自顶点而下，即从根节点开始递归构建，根据线段树定义，当左端点等于右端点时（达到递归边界），直接赋值即可，回溯时也要维护区间，代码如下：

void Build_Tree(int left, int right, int root)
{

    tr[root].l = left;
    tr[root].r = right;

    if (left == right)tr[root].sum = a[left]; //找到叶子节点，赋值

    else
    {
        int mid = (tr[root].l + tr[root].r) / 2;

        Build_Tree(left, mid, root * 2); //左子树

        Build_Tree(mid + 1, right, root * 2 + 1); //右子树

        tr[root].sum = tr[root * 2].sum + tr[root * 2 + 1].sum; //回溯维护区间和
    }
}

维护树：

维护树的方法也很好理解，如果目标更新节点在左儿子里，去左儿子中查找；反之，在右儿子中。不断递归，知道找到需要维护的节点，更新它，回溯是一路更新回来。这就是维护的过程，代码如下：

void Update_Tree(int q, int val, int root)
{
    if (tr[root].l == q && tr[root].r == q) //找到需要修改的叶子节点
    {
        tr[root].sum = val; //更新当前结点
    }
    else //当前结点是非叶子结点
    {
        int mid = (tr[root].l + tr[root].r) / 2; //取中间

        if (q <= mid) //目标节点在左儿子中
        {
            Update_Tree(q, val, root * 2);
        }
        else if (q > mid) //目标节点在右儿子中
        {
            Update_Tree(q, val, root * 2 + 1);
        }
        tr[root].sum = tr[root * 2].sum + tr[root * 2 + 1].sum; //回溯
    }
}

查询树：

题目中让我们查询区间求和，不难想到如果当前结点的区间完全被目标区间包含，直接返回当前结点的sum值，

否则分类讨论。具体过程通过以下代码理解：

int Query_Tree(int left, int right, int i)
{
    if (left <= tr[i].l && right >= tr[i].r) return tr[i].sum; //当前结点的区间完全被目标区间包含
    else
    {
        int mid = (tr[i].l + tr[i].r)/2;
        if (left > mid) //完全在右儿子
        {
            return Query_Tree(left, right, i*2+1);
        }
        else if (right <= mid) //完全在左儿子
        {
            return Query_Tree(left, right, i*2);
        }
        else //目标区间在左右都有分布
        {
            return Query_Tree(left, right, i*2) + Query_Tree(left, right, i*2+1);
        }
    }
}

主程序：

int main()
{

    int q, val, l, r;
    cout << "输入10个数字" << endl;
    for (int i = 1; i < maxN+1; i++)
        cin >> a[i];
    Build_Tree(1, maxN, 1);
    int op;
    while (true)
    {
        cout << "输入操作编号（1[update]  2[query]  0[end]）" << endl;
        cin >> op;
        if (op == 1)
        {
            cout << "更新操作， 输入: 更新位置， 更新值" << endl;
            cin >> q >> val;
            Update_Tree(q, val, 0);

        }
        else if (op == 2)
        {
            cout << "查询操作， 输入: 起始位置， 结束位置" << endl;
            cin >> l >> r;
            cout << Query_Tree(l, r, 0) << endl;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
    return 0;
}

线段树的性质：

假设线段树处理的数列长度为N，那么总结点数不超过2*N（满二叉树是最大情况）；

线段分解数量级：线段树能把任意一条长度为M的线段分为不超过2Log2（M）条线段（我们知道一个很大的数，Log一下就变小了），这条性质使线段树的查询与修改复杂度都在O(Log2(n))的范围内解决。

由于线段树是一颗二叉树，深度约为Log2(N)左右。

综上，线段树空间消耗O(n),由于它深度性质，使它在解决问题上有较高的效率。