树状数组(Binary Indexed Tree)是又一种静态的树结构。它的首要用途是用于维护前缀和,也即:一数组a[1..n],随时会改变其中某a[i],还会询问s[i]=a[1]+a[2]+…+a[i],树状数组可完美解决这一问题。
定义数组c[0..n],其中c[i]=a[i-2^k+1]+a[i-a^k+2]+…+a[i],其中k为i在二进制下末尾0的个数。当我们改变一个a[i]时,会有很多c[i]随之改变;若需查询某个s[i],需要累加多个c[i]。好在确定需要改变或累加的元素都可以用比较简便的方法得出,这方法的核心就是lowbit值。
定义lowbit(x)=x&(x^(x-1)),它相当于将最右边的1左边的东西全部去掉。若需改变a[i],则c[i]、c[i+lowbit(i)]、c[i+lowbit(i)+lowbit(i+lowbit(i)]……就是需要改变的c数组中的元素。若需查询s[i],则c[i]、c[i-lowbit(i)]、c[i-lowbit(i)-lowbit(i-lowbit(i))]……就是需要累加的c数组中的元素。这看上去有些玄妙,我觉得其实也可以不用透彻理解。
一维的树状数组的每个操作的复杂度都是O(logn)的,非常高效。它可以扩充为n维,这样每个操作的复杂度就变成了O((logn)^n),在n不大的时候仍然完全可以接受。扩充的方法就是将原来改变和查询的函数中的一个循环改成嵌套的n个循环在n维的c数组中操作。
要注意树状树组能处理的是下标为1..n的数组,绝对不能出现下标为0的情况。因为lowbit(0)=0,这样会陷入死循环。对于我这个从来都用C语言思考的家伙来说,这一点格外需要注意。
似乎树状数组也可以用来解决一些与前缀和关联不大的问题,例如NOI2004的cashier,但我还不太会(那题我只会用平衡树或线段树或虚二叉树解)。
示例程序:ural1470.cpp(三维的树状数组)
附:
【引言】
在解题过程中,我们有时需要维护一个数组的前缀和S[i]=A[1]+A[2]+...+A[i]。
但是不难发现,如果我们修改了任意一个A[i],S[i]、S[i+1]...S[n]都会发生变化。
可以说,每次修改A[i]后,调整前缀和S[]在最坏情况下会需要O(n)的时间。
当n非常大时,程序会运行得非常缓慢。
因此,这里我们引入“树状数组”,它的修改与求和都是O(logn)的,效率非常高。
【理论】
为了对树状数组有个形 象的认识,我们先看下面这张图。
![](/images/cppblog_com/xuesong/QQ截图未命名.gif)
如图所示,红色矩形表示的数组C[]就是树状数组。
这里,C[i]表示A[i-2^k+1]到A[i]的和,而k则是i在二进制时末尾0的个数,
或者说是i用2的幂方和表示时的最小指数。
( 当然,利用位运算,我们可以直接计算出2^k=i&(i^(i-1)) )
同时,我们也不难发现,这个k就是该节点在树中的高度,因而这个树的高度不会超过logn。
所以,当我们修改A[i]的值时,可以从C[i]往根节点一路上溯,调整这条路上的所有C[]即可,
这个操作的复杂度在最坏情况下就是树的高度即O(logn)。
另外,对于求数列的前n项和,只需找到n以前的所有最大子树,把其根节点的C加起来即可。
不难发现,这些子树的数目是n在二进制时1的个数,或者说是把n展开成2的幂方和时的项数,
因此,求和操作的复杂度也是O(logn)。
接着,我们考察这两种操作下标变化的规律:
首先看修改操作:
已知下标i,求其父节点的下标。
我们可以考虑对树从逻辑上转化:
![](/images/cppblog_com/xuesong/QQ截图未命名2.gif)
如图,我们将子树向右对称翻折,虚拟出一些空白结点(图中白色),将原树转化成完全二叉树。
有图可知,对于节点i,其父节点的下标与翻折出的空白节点下标相同。
因而父节点下标 p=i+2^k (2^k是i用2的幂方和展开式中的最小幂,即i为根节点子树的规模)
即 p = i + i&(i^(i-1)) 。
接着对于求和操作:
因为每棵子树覆盖的范围都是2的幂,所以我们要求子树i的前一棵树,只需让i减去2的最小幂即可。
即 p = i - i&(i^(i-1)) 。
至此,我们已经比较详细的分析了树状数组的复杂度和原理。
在最后,我们将给出一些树状数组的实现代码,希望读者能够仔细体会其中的细节。
【代码】
求最小幂2^k:
int Lowbit(int t) { return t & ( t ^ ( t - 1 ) ); }
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求前n项和:
int Sum(int end) { int sum = 0; while(end > 0) { sum += in[end]; end -= Lowbit(end); } return sum; }
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对某个元素进行加法操作:
void plus(int pos , int num) { while(pos <= n) { in[pos] += num; pos += Lowbit(pos); } }
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