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  • RMQ(Range MinimumQuery)问题之ST算法

    ST算法------是用来求解给定区间RMQ的最值,本文以最小值为例

    ST算法分为两部分

    • 离线预处理(nlogn):运用DP思想,用于求解区间最值,并保存到一个二维数组中。

    • 在线查询 (O(1)):对给定区间进行分割,借助该二维数组求最值

    离线预处理

    该二维数组是什么?

    • 设该二维数组为dp[n][n], 则dp[i][j]表示以i为起点,以2^j为区间长度的区间最值即表示数组[i, i+2^j-1]区间的最值。
    • 给出一数组A[0~5] = {5,4,6,10,1,12},则区间[2,5]之间的最值为1。
    • 比如,dp[0][2]表示区间[0,3]的最小值,即等于4,dp[2][2]表示区间[2,5]的最小值,即等于1。

    如何求一个dp[i][j]的最值?

    • 在求解dp[i][j]时,将它表示的数组区间分成两部分即将[i,i+2^j-1]分成两份,每份区间长度为2^(j-1)。之后在分别求解这两个区间dp[i][j-1]和dp[i+2^(j-1)][j-1]的最值,然后结合这两个区间求整个区间的最值。(特殊情况:当j=0时,区间长度为1,此时区间中只有一个元素,此时dp[i][0]等于每一个元素的值)。
    • 举例:要求解dp[1][2]的最小值,即求解区间[1, 4]={4,6,10,1}的最小值,将区间分为等长两部分[1,2],[3,4],求这两个区间的最小值,此时这两个区间最小值又对应着dp[1][1],dp[3][1]的最小值。
    • 状态转移方程是 dp[i][j] = min(dp[i][j - 1],dp[i + 2^(j - 1)][j - 1])
    • 初始状态为:dp[i][0] = A[i]。
    • 在根据状态转移方程递推时,是对每一元素,先求区间长度为1的区间最值,之后再求区间长度为2的区间最值,之后再求区间长度为4的区间最值....,最后,对每一个元素,在求解区间长度为log2^n的区间最值后,算法结束,其中n表示元素个数。即:先求dp[0][1],dp[1][1],dp[2][1],dp[3][1],,,dp[n][1],再求.dp[0][2],dp[1][2],dp[2][2],dp[3][2],,,dp[m][2],... 。

    在线查询 

    • 这里我们是已知待查询的区间[x,y],求解其最值。
    • 在预处理期间,每一个状态对应的区间长度都为2^i。由于给出的待查询区间长度不一定恰好为2^i,因此我们应对待查询的区间进行处理。

      这里我们把待查询的区间分成两个小区间,这两个小区间满足两个条件

    1. 这两个小区间要能覆盖整个区间
    2. 为了利用预处理的结果,要求小区间长度相等且都为2^i。注意两个小区间可能重叠。
    • 如:待查询的区间为[3,11],先尽量等分两个区间,则先设置为[3,7]和[8,11]。之后再扩大这两个区间,让其长度都等于为2^i。刚划分的两个区间长度分别为5和4,之后继续增加区间长度,直到其成为2^i。此时满足两个条件的最小区间长度为8,

    •  此时i = 3在程序计算求解区间长度时,并没有那么麻烦,我们可以直接得到i,即等于直接对区间长度取以2为底的对数。这里,对于区间[3,11],其分解的区          间长度为int(log(11 - 3 + 1)) = 3,这里log是以2为底的。

    • 然后就可以将区间 [x, y]划分成两个小区间[x,x+2^i-1],[y-2^i+1,y]即对应着dp[x][i],dp[y-2^i+1][i]

    最后上代码!

    #include<iostream>
    #include<algorithm>
    using namespace std;
    const int maxn=1e5+5;
    int dpmin[maxn][25],dpmax[maxn][25];
    int a[maxn];
    void initrmq(int n)
    {
        int i, j;
        for(i=1; i<=n; i++)
        {
            dpmin[i][0]=a[i];
            dpmax[i][0]=a[i];
        }
        for(j=1; 1<<j<=n; j++)
            for(i=1; i+(1<<j)<=n+1; i++)
            {
                dpmin[i][j]=min(dpmin[i][j-1], dpmin[i+(1<<(j-1))][j-1]);
                dpmax[i][j]=max(dpmax[i][j-1], dpmax[i+(1<<(j-1))][j-1]);
            }
    }
    int queryrmq(int l, int r, int op) // 传入op=0,表示最小值,op=1,表示最大值
    {
        int k=log2(r-l+1);
        if(op==0)
            return min(dpmin[l][k], dpmin[r-(1<<k)+1][k]);
        else
            return max(dpmax[l][k], dpmax[r-(1<<k)+1][k]);
    }
    int main()
    {
        int i, m, q, n;
        cin>>n>>q;
        for(i=1; i<=n; i++)
            cin>>a[i];
        initrmq(n);
        while(q--)
        {
            int l, r, op;
            cin>>l>>r>>op;
            cout<<queryrmq(l,r,op)<<endl;
        }
    }
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