【数据结构】零基础树状数组笔记

参考和引用

树状数组学习笔记
树状数组 数据结构详解与模板(可能是最详细的了)
树状数组(简单介绍)
树状数组小结
AcWing 241. 楼兰图腾 的题解

树状数组的作用

树状数组,也叫做二叉索引树,或Fenwick树。
可以高效实现两个操作:

  1. 数组前缀和的查询
  2. 单点更新——某个点增加/减少x(是改变多少)

时间复杂度
朴素算法
单点修改:O(1)
区间查询:O(n)

使用树状数组
单点修改:O(logn)
区间查询:O(logn)

容易求前缀和,也容易求区间和,如:

已知nums=[1,2,3,4,5,6,7].
区间[3,7]=区间[1,7]-区间[1,2].

这里就有了一个问题:如果我要“单点更新”,那么单点更新了,前缀和也要更新。频繁地更新单点和前缀和会使其不高效。
树状数组就是高效实现前缀和和单点更新的数据结构。

什么是树状数组

长成这样:
【数据结构】零基础树状数组笔记

有8个数:A1-A8
有一个树状数组C
C1管A1
C2管A2,C1
C3管A3
C4管C3,A4
以此类推。

因此,我们若是改了A1,只需要更新C1,C2,C4,C8即可。

如何定义树状数组

注意,树状数组是下标从1开始的数组。

我们先记住:
C数组是对原始数组A的预处理数组。
记号i表示C的索引下标,j表示A的索引下标。

此图可以这样理解(我瞎编的助于理解的方法):
【数据结构】零基础树状数组笔记

A1上没有横线,所以C1只有1格
A2上有C1的横线,所以C2比C1高1格,共2格
A3上没有横线(A1的横线已经被用掉了),所以C3只有1格
A4上有C3和C2的横线,所以C4有3格
...
A8上有C7,C6,C4的横线,所以C8有4格
横线只能用一次。

正确的理解(与二进制有关):
【数据结构】零基础树状数组笔记

即:
【数据结构】零基础树状数组笔记

树状数组C和原数组A的关系

伟大的计算机科学家注意到上表中标注了“数组 C 中的元素来自数组 A 的元素个数”,它们的规律如下:将数组 C 的索引 i表示成二进制,从右向左数,遇到 1 则停止,数出 0 的个数记为 k,则计算 2k 就是“数组 C 中的元素来自数组 A 的个数”,并且可以具体得到来自数组 A 的表示,即从当前索引 i开始,从右向前数出 2k 个数组 A 中的元素的和,即组成了 C[i]。

计算 2k 就是“数组 C 中的元素来自数组 A 的个数和组成C[i]的例子:
【数据结构】零基础树状数组笔记
C[8]往前数8个,即从A[1]到A[8]
C[4]往前数4个,即从A[1]到A[4]
诸如此类。

如何计算2k——lowbit

lowbit(i)=i&(-i);

一个直观的解释:
负数是一个数取反+1.
加的1的位置就是i&(-i)后从右向左的第一个1.

单点更新

找到祖先的公式:

parent(i)=i+lowbit(i)

【数据结构】零基础树状数组笔记
假如要改A[3],从图中我们可以直观地得知要更新C[3],C[4],C[8].

因为要改A[3],所以从3开始,改完C[3]后开始计算要改的下一个C的下标:
3:3+lowbit(3)=4;
4:4+lowbit(4)=8;
....

所以C[3],C[4],C[8]是要更新的。

也可以看这个图:
【数据结构】零基础树状数组笔记

前缀和查询

还是上面的图,如何求前缀和(6)?
由图可知,C[4]+C[6]即可。C[4]=A[1]+…+A[4],C[6]=A[5]+A[6].

如何求前缀和(5)?
C[4]+C[5]即可。

想求前缀和6,我们要知道4,6;
想求前缀和5,我们要知道4,5;
这些数字怎么来的呢?

答:设想求前缀和x,则两个数字分别是x和x-lowbit(x).

前缀和6:lowbit(6)=2,6-2=4,故6 4
前缀和5:lowbit(5)=1,5-1=4,故5 4

也可以看这个:
【数据结构】零基础树状数组笔记

树状数组的初始化

【数据结构】零基础树状数组笔记

相关代码

//求2^x 
int lowbit(int x)
{
	return x&(-x);
}

//单点修改后的更新 
//这里的更新:如A[1]要加2,则y=2 
//版本1: 
void update(int x,int y,int n)//x为更新的位置,y为更新后的数,n为数组最大值 
{
	for(int i=x;i<=n;i+=lowbit(i))
	{
		c[i]+=y;
	}
}

//版本2:
void update(int x,int sum)
{
	while(x<=n)
	{
		d[x]+=sum;
		x+=lowbit(x);
	}
} 

//区间查询
//版本1: 
int getsum(int x)
{
	int ans=0;
	for(int i=x;i;i-=lowbit(i))
	{
		ans+=c[i];
	}
	return ans;
} 

//版本2:
int getsum(int x)
{
	int s=0;
	while(x>0)
	{
		s+=d[x];
		x-=lowbit(x);
	}
	return s;
} 

模板题和代码


【数据结构】零基础树状数组笔记
代码:

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
#define fir(i,a,n) for(int i=(int)a;i<=n;i++) 
const int N=5e5+10;
int a[N];//这个是树状数组,原数组没有存 
int n,m;
int lowbit(int x)
{
	return x&(-x);
}

void update(int x,int sum)
{
	for(int i=x;i<=n;i+=lowbit(i))
	{
		a[i]+=sum;
	}
}

int getsum(int x)
{
	int ans=0;
	for(int i=x;i>0;i-=lowbit(i))//不能等于0! 
	{
		ans+=a[i];
	}
	return ans;
}

int main()
{
	cin>>n>>m;
	for(int i=1;i<=n;i++) 
	{
		int t;
		cin>>t;
		update(i,t);//构建树状数组 
	}
	
	for(int i=1;i<=m;i++)
	{
		int op,b,c;
		scanf("%d%d%d",&op,&b,&c);
		if(op==1)
		{
			update(b,c);
		}
		else if(op==2)
		{			
			cout<<getsum(c)-getsum(b-1)<<endl;
		}
	}
	return 0;
}
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