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  • 线段树模板及解释

    先摆模板。。。

    //线模板
    struct line
    {

    int left,right;//左端点、右端点
    int n;//
    记录这条线段出了多少次,默认为0
    };
    struct line a[100];
    int sum;
    //
    建立
    void build(int s,int t,int n)
    {

    int mid=(s+t)/2;
    a[n].left=s;
    a[n].right=t;
    if (s==t) return;
    a[n].left=s;
    a[n].right=t; 
    build(s,mid,2*n);
    build(mid+1,t,2*n+1);

    //

    void insert(int s,int t,int step)//
    入的线段的左端点和右端点、以及线中的某条线
    {     if (s==a[step].left && t==a[step].right)
          {
                a[step].n++;//
    入的线段匹配条线段的记录+1
                return;//
    束返回
          }
          if (a[step].left==a[step].right)   return;//
    线线子,束返回
          int mid=(a[step].left+a[step].right)/2;
          if (mid>=t)    insert(s,t,step*2);//
    如果中点在t的右则应该插入到左
          else if (mid<s)    insert(s,t,step*2+1);//
    如果中点在s的左则应该插入到右
          else//
    ,中点一定在st,把待插线段分成半分别插到左右子里面
          {
                insert(s,mid,step*2);
                insert(mid+1,t,step*2+1);
          }
    }
    //
    访问
    void count (int s,int t,int step)
    {   

     if (a[step].n!=0)

    sum=sum+a[step].n*(t-s+1);
     if (a[step].left==a[step].right)

    return;
         int mid=(a[step].left+a[step].right)/2;
         if (mid>=t)

    count(s,t,step*2);
         else

     if (mid<s)

     count(s,t,step*2+1);
         else
         {
                count(s,mid,step*2);
                count(mid+1,t,step*2+1);
          }
    }

    下面来自某大牛解释:

    线段树的定义

    定义1 长度为1的线段称为元线段。

    定义2 一棵树被成为线段树,当且仅当这棵树满足如下条件:

    (1)    该树是一棵二叉树。

    (2)    树中每一个结点都对应一条线段[a,b]。

    (3)    树中结点是叶子结点当且仅当它所代表的线段是元线段。

    (4)    树中非叶子结点都有左右两个子树,做子树树根对应线段[a , (a + b ) / 2],右子树树根对应线段[( a + b ) / 2 , b]。

    但是这种二叉树较为平衡,和静态二叉树一样,提前根据应用的部分建立好树形结构。针对性强,所以效率要高。一般来说,动态结构较为灵活,但是速度较慢;静态结构节省内存,速度较快。

                  线段树的性质与时空复杂度简介

    下面介绍线段树的两个性质(证明略)。

    性质1 长度范围为[1,L]的一棵线段树的深度不超过log(L-1) + 1。

    性质2 线段树把区间上的任意一条长度为L的线段都分成不超过2logL条线段。

    空间复杂度 存储一棵线段树的空间复杂度一般为O(L)。

    时间复杂度 对于插入线段、删除线段,查找元素,查找区间最值等操作,复杂度一般都是O(log L)。

    线段树主要应用了平衡与分治的性质,所以基本时间复杂度都和log有关。我们在应用线段树解决问题的时候,应尽量在构造好线段树的时候,使每种操作在同一层面上操作的次数为O(1),这样能够维持整体的复杂度O(log L)。

    例题:

    在自然数,且所有的数不大于30000的范围内讨论一个问题:现在已知n条线段,把端点依次输入告诉你,然后有m个询问,每个询问输入一个点,要求这个点在多少条线段上出现过;

    最基本的解法当然就是读一个点,就把所有线段比一下,看看在不在线段中;

    每次询问都要把n条线段查一次,那么m次询问,就要运算m*n次,复杂度就是O(m*n)

    这道题m和n都是30000,那么计算量达到了10^9;而计算机1秒的计算量大约是10^8的数量级,所以这种方法无论怎么优化都是超时

    -----

    因为n条线段是固定的,所以某种程度上说每次都把n条线段查一遍有大量的重复和浪费;

    线段树就是可以解决这类问题的数据结构

    举例说明:已知线段[2,5] [4,6] [0,7];求点2,4,7分别出现了多少次

    在[0,7]区间上建立一棵满二叉树:(为了和已知线段区别,用【】表示线段树中的线段)

                                    【0,7】
                             /                  \
                      【0,3】                      【4,7】
                      /      \                     /     \
                 【0,1】     【2,3】          【4,5】      【6,7】
                 /      \   /      \        /      \      /     \
            【0,0】【1,1】【2,2】 【3,3】【4,4】 【5,5】 【6,6】【7,7】

    每个节点用结构体:

    struct line
    {
          int left,right;//左端点、右端点
          int n;//记录这条线段出现了多少次,默认为0
    }a[16];

    和堆类似,满二叉树的性质决定a[i]的左儿子是a[2*i]、右儿子是a[2*i+1];

    然后对于已知的线段依次进行插入操作:

    从树根开始调用递归函数insert

    void insert(int s,int t,int step)//要插入的线段的左端点和右端点、以及当前线段树中的某条线段
    {
          if (s==a[step].left && t==a[step].right)
          {
                a[step].n++;//插入的线段匹配则此条线段的记录+1
                return;//插入结束返回
          }
          if (a[step].left==a[step].right)   return;//当前线段树的线段没有儿子,插入结束返回
          int mid=(a[step].left+a[step].right)/2;
          if (mid>=t)    insert(s,t,step*2);//如果中点在t的右边,则应该插入到左儿子
          else if (mid<s)    insert(s,t,step*2+1);//如果中点在s的左边,则应该插入到右儿子
          else//否则,中点一定在s和t之间,把待插线段分成两半分别插到左右儿子里面
          {
                insert(s,mid,step*2);
                insert(mid+1,t,step*2+1);
          }
    }

    三条已知线段插入过程:

    [2,5]

    --[2,5]与【0,7】比较,分成两部分:[2,3]插到左儿子【0,3】,[4,5]插到右儿子【4,7】

    --[2,3]与【0,3】比较,插到右儿子【2,3】;[4,5]和【4,7】比较,插到左儿子【4,5】

    --[2,3]与【2,3】匹配,【2,3】记录+1;[4,5]与【4,5】匹配,【4,5】记录+1

    [4,6]

    --[4,6]与【0,7】比较,插到右儿子【4,7】

    --[4,6]与【4,7】比较,分成两部分,[4,5]插到左儿子【4,5】;[6,6]插到右儿子【6,7】

    --[4,5]与【4,5】匹配,【4,5】记录+1;[6,6]与【6,7】比较,插到左儿子【6,6】

    --[6,6]与【6,6】匹配,【6,6】记录+1

    [0,7]

    --[0,7]与【0,7】匹配,【0,7】记录+1

    插入过程结束,线段树上的记录如下(红色数字为每条线段的记录n):

                          【0,7】
                                                        1
                                   /                                            \
                         【0,3】                                           【4,7】
                             0                                                     0
                     /                 \                                     /                 \
           【0,1】                 【2,3】                【4,5】                【6,7】
                0                           1                          2                         0
              /    \                      /      \                     /     \                    /      \
    【0,0】 【1,1】 【2,2】 【3,3】 【4,4】 【5,5】 【6,6】 【7,7】
         0            0            0            0            0            0           1           0

    询问操作和插入操作类似,也是递归过程,略

    2——依次把【0,7】 【0,3】 【2,3】【2,2】的记录n加起来,结果为2

    4——依次把【0,7】 【4,7】 【4,5】【4,4】的记录n加起来,结果为3

    7——依次把【0,7】 【4,7】 【6,7】【7,7】的记录n加起来,结果为1

    不管是插入操作还是查询操作,每次操作的执行次数仅为树的深度——logN

    建树有n次插入操作,n*logN,一次查询要logN,m次就是m*logN;总共复杂度O(n+m)*logN,这道题N不超过30000,logN约等于14,所以计算量在10^5~10^6之间,比普通方法快了1000倍;

    这道题是线段树最基本的操作,只用到了插入和查找;删除操作和插入类似,扩展功能的还有测度、连续段数等等,在N数据范围很大的时候,依然可以用离散化的方法建树

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