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  • RMQ ST算法

    RMQ(Range Minimum/Maximum Query),即区间最值查询,是指这样一个问题:对于长度为n的数列A,回答若干询问RMQ(A,i,j)(i,j<=n),返回数列A中下标在i,j之间的最小/大值。
    最简单当然是遍历,时间复杂度O(n),但是在数据较大以及 查询次数比较多的情况下,较差。
    主要介绍的ST算法,ST算法是一种基于DP的在线算法。该算法通过对数据进行预处理(时间复杂度O(nlogn)),便可以快速的返回每一个查询结果(时间复杂度O(1))。
    ST算法的预处理:
    设A[i]是要求区间最值的数列,F[i, j]表示从第i个数起连续2^j个数中的最大值。(DP的状态)
    例如:
    A数列为:3 2 4 5 6 8 1 2 9 7
    F[1,0]表示第1个数起,长度为2^0=1的最大值,其实就是3这个数。同理 F[1,1] = max(3,2) = 3, F[1,2]=max(3,2,4,5) = 5,F[1,3] = max(3,2,4,5,6,8,1,2) = 8;
    并且我们可以容易的看出F[i,0]就等于A[i]。(DP的初始值)
    这样,DP的状态、初值都已经有了。
    我们把F[i,j]平均分成两段(因为f[i,j]一定是偶数个数字),从 i 到i + 2 ^ (j - 1) - 1为一段,i + 2 ^ (j - 1)到i + 2 ^ j - 1为一段(长度都为2 ^ (j - 1))。用上例说明,当i=1,j=3时就是3,2,4,5 和 6,8,1,2这两段。F[i,j]就是这两段各自最大值中的最大值。于是我们得到了状态转移方程F[i, j]=max(F[i,j-1], F[i + 2^(j-1),j-1])。

    void RMQ(int num) //预处理->O(nlogn)
    {
        for(int j = 1; j < 20; ++j)
            for(int i = 1; i <= num; ++i)
                if(i + (1 << j) - 1 <= num)
                {
                    maxsum[i][j] = max(maxsum[i][j - 1], maxsum[i + (1 << (j - 1))][j - 1]);
                    minsum[i][j] = min(minsum[i][j - 1], minsum[i + (1 << (j - 1))][j - 1]);
                }
    }

    这里我们需要注意的是循环的顺序,我们发现外层是j,内层所i,这是为什么呢?可以是i在外,j在内吗?

    答案是不可以。因为我们需要理解这个状态转移方程的意义。
    状态转移方程的含义是:先更新所有长度为F[i,0]即1个元素,然后通过2个1个元素的最值,获得所有长度为F[i,1]即2个元素的最值,然后再通过2个2个元素的最值,获得所有长度为F[i,2]即4个元素的最值,以此类推更新所有长度的最值。
    而如果是i在外,j在内的话,我们更新的顺序就是F[1,0],F[1,1],F[1,2],F[1,3],表示更新从1开始1个元素,2个元素,4个元素,8个元素(A[0],A[1],….A[7])的最值,这里F[1,3] = max(max(A[0],A[1],A[2],A[3]),max(A[4],A[5],A[6],A[7]))的值,但是我们根本没有计算max(A[0],A[1],A[2],A[3])和max(A[4],A[5],A[6],A[7]),所以这样的方法肯定是错误的。

    查询:
    假如我们需要查询的区间为(i,j),那么我们需要找到覆盖这个闭区间(左边界取i,右边界取j)的最小幂(可以重复,比如查询5,6,7,8,9,我们可以查询5678和6789)。
    因为这个区间的长度为j - i + 1,所以我们可以取k=log2( j - i + 1),在程序中为int k=(int)(log(b-a+1)/log(2));要注意类型(int)的强制转换。
    则有:RMQ(A, i, j)=max{F[i , k], F[ j - 2 ^ k + 1, k]}。
    举例说明,要求区间[2,8]的最大值,k = log2(8 - 2 + 1)= 2,即求max(F[2, 2],F[8 - 2 ^ 2 + 1, 2]) = max(F[2, 2],F[5, 2]);

    在这里我们也需要注意一个地方,就是<<运算符和+-运算符的优先级。
    比如这个表达式:5 - 1 << 2是多少?

    答案是:4 * 2 * 2 = 16。所以我们要写成5 - (1 << 2)才是5-1 * 2 * 2 = 1。

    例题:
    RMQ算法,区间最小值与最大值的差。
    士兵杀敌 http://acm.nyist.net/JudgeOnline/problem.php?pid=119
    代码:

    #include<iostream>
    #include<cstdio>
    #include<cstring>
    #include<cmath>
    using namespace std;
    
    #define MAX (a)>(b)?(a):(b)
    #define MIN (a)>(b)?(b):(a)
    
    int maxnum[100055][20];
    int minnum[100055][22];
    
    void RMQ(int num)
    {
        for(int j=1;j<20;++j)
        {
            for(int i=1;i<=num;++i)
            if(i+(1<<j)-1<=num)
            {
                maxnum[i][j]=max(maxnum[i][j-1],maxnum[i+(1<<(j-1))][j-1]);
                minnum[i][j]=min(minnum[i][j-1],minnum[i+(i<<(j-1))][j-1]);
            }
        }
    }
    
    int main()
    {
        int n,t;
        while(scanf("%d%d",&n,&t)!=EOF)
        {
            memset(maxnum,0,sizeof(maxnum));
            memset(minnum,0,sizeof(minnum));
            for(int i=1;i<=n;i++)
            {
                scanf("%d",&maxnum[i][0]);
                minnum[i][0]=maxnum[i][0];
            }
            RMQ(n);
            for(int i=0;i<t;i++)
            {
                int a,b;
                scanf("%d%d",&a,&b);
                int k=(int)(log(b-a+1)/log(2));
                int maxans=max(maxnum[a][k],maxnum[b-(1<<k)+1][k]);
                int minans=max(minnum[a][k],minnum[b-(1<<k)+1][k]);
                printf("%d
    ",maxans-minans);
            }
        }
        return 0;
    }
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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/luckycode/p/5255654.html
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