树状数组

介绍

所谓树状数组,就是将线性的数组预处理成树状的结构以降低时间复杂度。先来看一幅经典的图:

其中的 a 数组为原生数组,c 数组为辅助数组,计算方式为:

$$c_1=a_1——{(1)}_{10}={(1)}_2$$ $$c_2=a_2+c_1——{(2)}_{10}={(10)}_2$$ $$\ldots$$

不难发现,$c_k$存储的实际上是从 $k$ 开始向前数 $k$ 的二进制表示中右边第一个 $1$ 所代表的数字个元素的和。这样写的好处便是可以利用位运算轻松计算 sum。上代码。

Code

var
n, i: longint;
a, c: array [1..10000] of longint;

//计算x最右边的1所代表的数字。
//如:lowbit(0b1100)=0b100
function lowbit(x: longint): longint;
begin
lowbit := x and (-x);
end;

//给a[index]加上x
procedure add(index, x: longint);
begin
inc(a[index], x);
while index<=n do
begin
inc(c[index], x);
inc(index, lowbit(index));
end;
end;

//求a[1~index]的和
function sum(index: longint): longint;
begin
sum := 0;
while index>0 do
begin
inc(sum, c[index]);
dec(index, lowbit(index));
end;
end;

var
s: longint;
op: longint;
x,y: longint;

begin
assign(input, 'main.in'); reset(input);
assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

readln(n);
for i := 1 to n do
begin
read(a[i]);
add(i, a[i]);
end;

while not eof do
begin
read(op);
if op = 1 then //添加操作
begin
read(x, y);
Add(x, y);
end
else //求和操作
begin
read(s);
writeln(sum(s));
end;
end;

close(input); close(output);
end.

二进制的启示

在学习数论时我们都知道:只用 2 的幂次可以组合出所有的正整数。这便是二进制的魅力——状态简单而又变化万千。

引子

实际算法中,常常有一些线性的但数据量特别大的问题,如区间求和、求最小值等。很多时候,为了把时间复杂度从 $O(n^2)$ 甚至更高的地方降下来,我们需要对数据进行一些预处理,以提高计算的速度。在这其中,有很大一部分是来自二进制运算特点的启发。

目录

  1. 树状数组
  2. RMQ
  3. LCA&树上倍增

最小生成树(Kruscal & Prim)

测试位置:WikiOI1078

type
TEdge = record
start, terminal: longint;
weight: int64;
end;
TEdgeArr = array of TEdge;

operator <(e1, e2: TEdge)res: boolean;
begin
res := e1.weight < e2.weight;
end;

operator >(e1, e2: TEdge)res: Boolean;
begin
res := e1.weight > e2.weight;
end;

procedure SortEdge(A: TEdgeArr; l, r: longint);
var
i, j: longint;
t, m: TEdge;
begin
i := l; j := r; m := A[(i+j) >> 1];
repeat
while A[i]<m do inc(i);
while A[j]>m do dec(j);
if i<=j then
begin
t := A[i];
A[i] := A[j];
A[j] := t;
inc(i); dec(j);
end;
until i>j;
if i<r then SortEdge(A, i, r);
if l<j then SortEdge(A, l, j);
end;

const
INF: int64 = 1<<60 div 3;
var
map: array [1..100, 1..100] of int64;
n, i, j: longint;

{
@param x: 起始搜索节点
算法思想:用一个数组维护从各个未加入顶点到
树的最短边长度,操作n次,每次将距离最短的
边加入到树中,并更新与之相邻的点的距离值。
}

function prim(x: longint): int64;
{
lowest: 储存各个节点到树的最短距离
visited: 标记是否已加入树中
}
var
lowest: array [1..100] of int64;
visited: array [1..100] of boolean;
min: int64;
i, j, minindex: longint;
begin
fillchar(visited, sizeof(visited), 0);
visited[x] := true;

//先将初始节点加入树中,更新lowest
for i := 1 to n do
lowest[i] := map[i, x];

prim := 0;
for i := 2 to n do
begin
min := INF;

//找出树到外部节点最短的一条边
//并将该边加入树中
for j := 1 to n do
if (not visited[j]) and (min > lowest[j]) then
begin
min := lowest[j];
minindex := j;
end;
visited[minindex] := true;
prim := prim + min;

//对新加入的那个节点,
//更新与其相邻的未加入树的节点的lowest值
for j := 1 to n do
begin
if visited[j] then continue;
if map[j, minindex] < lowest[j] then
lowest[j] := map[j, minindex];
end;
end;
end;

{
算法思想:
1\. 先将边按照长度排序。
2\. 遍历所有的边,若该边的两个顶点都在树中则跳过;
否则将其加入树中。
}

function Kruscal: int64;
var
Edges: TEdgeArr;
//并查集,储存自己的父亲,若自己为根结点则为自己
//这是一种常用的写法:否则如果存成0的话,想把两棵
//树并在一起需要多一步判断。
UnionSet: array [0..100] of longint;
i: longint;

procedure InitEdges; //将邻接矩阵转化为边数组。
var
i, j: longint;
E: TEdge;
begin
for i := 1 to n do
for j := 1 to i-1 do
begin
E.start := i;
E.terminal := j;
E.weight := map[i, j];
SetLength(Edges, Length(Edges)+1);
Edges[High(Edges)] := E;
end;
SortEdge(Edges, Low(Edges), High(Edges));
end;

//寻找自己的根节点,并把自己直接连到根结点上。
function Find(x: longint): longint;
var
root: longint;
begin
root := x;
while root <> UnionSet[root] do
root := UnionSet[root];
UnionSet[x] := root;
exit(root);
end;

//尝试将边的两个顶点并在一个并查集中,如果两个
//顶点都在同一个集合中则返回False,否则执行合
//并操作。
function Union(x, y: longint): boolean;
var
px, py: longint;
begin
px := Find(x);
py := Find(y);
if px = py then
exit(False);
UnionSet[px] := py;
exit(True);
end;

begin
Kruscal := 0;
fillchar(UnionSet, sizeof(UnionSet), 0);
InitEdges;
for i := 1 to n do
UnionSet[i] := i;
for i := Low(Edges) to High(Edges) do
if Union(Edges[i].start, Edges[i].terminal) then
begin
Kruscal := Kruscal + Edges[i].weight;
end;
end;

begin
assign(input, 'main.in'); reset(input);
assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

readln(n);
for i := 1 to n do
for j := 1 to n do
read(map[i, j]);
writeln(Kruscal);

close(input); close(output);
end.

NOIP2013 Day1 火柴排队:快速求逆序对

题目

涵涵有两盒火柴,每盒装有 n 根火柴,每根火柴都有一个高度。现在将每盒中的火柴各自排成一列,同一列火柴的高度互不相同,两列火柴之间的距离定义为: $$\sum_{i=1}^{n}{(a_i-b_i)^2}$$

其中 ai 表示第一列火柴中第 i 个火柴的高度,bi 表示第二列火柴中第 i 个火柴的高度。

每列火柴中相邻两根火柴的位置都可以交换,请你通过交换使得两列火柴之间的距离最小。请问得到这个最小的距离,最少需要交换多少次?如果这个数字太大,请输出这个最小交换次数对 99,999,997 取模的结果。

分析

这真是一道好题——断断续续想了几天才完全 AC。

事实上,由排序不等式可知:

$$当 a_i, b_i 从小到大排序时,距离最小$$

这是一个重要的信息。因此,我们只需把 $a_i,b_i$ 进行排序,并把对应项“捆绑”成一项,再按 $a_i$ 原有的顺序进行复原,此时,可以得到由 $b_i$ 原先的下标组成的一个序列。也就是说,我们要求 $1,2,\ldots,n$ 至少经过多少步才能变为该序列。这可以用逆序对来解决。

只可惜,传统的逆序对算法时间复杂度为 $O(n^2)$,这里 $n$ 可达 $200000$,一定会超时 1。因此我们需寻求更好的算法。

用归并排序求逆序对

在归并排序的过程中,有一个步骤称为合并。在这个步骤中,需要轮流判断左右区间的第一个数的大小关系。注意到:左右区间已经有序,从而若左区间的第一个数大于右区间的第一个数,则左区间之后的所有数都大于右区间的第一个数,从而我们可以在合并时做一些修改:

procedure nx(l, r: longint);
var
mid, i, j, k: longint;
begin
if l = r then
begin
tmp[l] := a[l];
exit;
end;
mid := (l + r) shr 1;
nx(l, mid);
nx(mid+1, r);
i := l;
j := mid+1;
k := l;
while k <= r do
begin
if (j>r) or (i<=mid) and (a[i]<=a[j]) then //注意这里为等号
begin
tmp[k] := a[i];
inc(i);
end
else
begin
cnt := cnt + mid - i + 1; //加上逆序数
tmp[k] := a[j];
inc(j);
end;
inc(k);
end;
for i := l to r do
a[i] := tmp[i];
end;

这个算法复杂度为$O(n\log n)$,是一种比较理想的算法,实现起来也简单。但他有个缺点:会打乱原数组顺序

原题代码

//AC
const
MODN = 99999997;
type
rec = record value, index: longint; end;
TArr = array [1..100000] of rec;
var
n: longint;
a, b, c, tmp: TArr;
ok: Boolean;
l, r, i, j: longint;
cnt: int64;

procedure sort(var arr: TArr; l, r: longint);
var
i, j: longint;
m, t: rec;
begin
i := l;
j := r;
m := arr[(i+j) shr 1];
repeat
while arr[i].value < m.value do inc(i);
while arr[j].value > m.value do dec(j);
if i <= j then
begin
t := arr[i];
arr[i] := arr[j];
arr[j] := t;
inc(i);
dec(j);
end;
until i >j;
if i < r then sort(arr, i, r);
if l < j then sort(arr, l, j);
end;

procedure nx(l, r: longint);
var
mid, i, j, k: longint;
begin
if l = r then
begin
tmp[l] := c[l];
exit;
end;
mid := (l + r) shr 1;
nx(l, mid);
nx(mid+1, r);
i := l;
j := mid+1;
k := l;
while k <= r do
begin
if (j>r) or (i<=mid) and (c[i].index<=c[j].index) then
begin
tmp[k] := c[i];
inc(i);
end
else
begin
cnt := cnt + mid - i + 1;
cnt := cnt mod MODN;
tmp[k] := c[j];
inc(j);
end;
inc(k);
end;
for i := l to r do
c[i] := tmp[i];
end;

begin
assign(input, 'main.in'); reset(input);
assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

readln(n);
for i := 1 to n do
begin
read(a[i].value);
a[i].index := i;
end;
for i := 1 to n do
begin
read(b[i].value);
b[i].index := i;
end;
sort(a, 1, n);
sort(b, 1, n);

for i := 1 to n do
c[a[i].index] := b[i];

cnt := 0;
nx(1, n);
writeln(cnt);

close(input); close(output);
end.
  1. 事实上,只过了 70% 的点

NOIP2011 Day2 计算系数:快速求组合数

题目大意

输入 $a, b, k, n, m$,计算 $a^n\times b^m\times C_k^n$ 模 $10007$ 的余数。

分析

对于幂数的计算并不难,关键在于对组合数$C_n^k$的计算。

通常来说,组合数的计算一般是这样的:$$C_n^k=\frac{n}{k}\times\frac{n-1}{k-1}\times\ldots\times\frac{n-k+1}{1}$$ 这对于单精度的计算来说是十分快捷的,但如果要对结果取模的话就不起作用了——取模运算对于除法不成立。因此只能另辟蹊径了。

注意到加减乘法对于取模都是成立的,从而想到:能否将组合数转化成加法?我们自然而然想到了组合恒等式:$$C_n^k=C_{n-1}^{k}+C_{n-1}^{k-1}$$ 思路到此完成。

Code

const
modn = 10007;
var
a, b, k, m, n: longint;
map: array[0..1000,0..1000] of int64; //缓存
//快速幂
function power(a, x: longint): int64;
var
t: longint;
begin
if x = 1 then
exit(a);
if x = 0 then
exit(1);
t := power(a, x shr 1);
power := t * t mod modn;
if odd(x) then
power := power * a mod modn;
end;
//快速组合数
function C(n, k: longint): int64;
begin
if map[n, k] > 0 then
exit(map[n, k]);
if (n <= k) or (k = 0) then
C := 1
else if k = 1 then
C := n
else
C := (C(n-1, k)+C(n-1, k-1)) mod modn;
map[n, k] := C;
end;

var
t: longint;
ans: int64;

begin
assign(input, 'main.in'); reset(input);
assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

readln(a, b, k, n, m);
a := a mod modn;
b := b mod modn;
ans := power(a, n);
ans := ans * power(b, m) mod modn;
//C(k,n)与C(k,m)是等效的,计算较小者即可
if n > m then n := m;
ans := ans * C(k, n) mod modn;
writeln(ans);

close(input); close(output);
end.

UVa1647 Computer Transformation

链接:Link 耗时:0.679s

分析

本质上,这是一道求数列通项的题目。我们列出前几个字符串: $$01,$$ $$1001,$$ $$01101001,$$ $$1001011001101001,$$ $$\ldots$$

如果用$S_i$表示第 i 个字符串中“00”的个数,则有: $$S_1=0,\ S_2=1,\ S_3=1,\ S_4=3,\ S_5=5,\ S_6=11,\ldots$$

经过观察可以发现有如下规律: $$S_n=2\times S_{n-1}+{(-1)}^n$$

求通项就简单了,换个元即可: $$S_n=\frac{1}{3}[{(-1)}^n+2^{n-1}]$$

程序采用高精度实现。

Code

const
JINDU = 100000;
var
n: Integer;
//在数字前补0
procedure PrintANumber(x: longint);
var
t: longint;
begin
if x = 0 then
write('00000')
else
begin
t := JINDU;
while t > x * 10 do
begin
write(0);
t := t div 10;
end;
write(x);
end;
end;

var
ans: array [1..300] of longint;
len, i: integer;
//计算2^(n-1)
procedure calc2;
var
i, x, t, mul: longint;
begin
len := 1;
ans[1] := 1;
t := n-1;
while t > 0 do
begin
if t < 6 then
mul := 1 << t
else
mul := 64;
x := 0;
for i := 1 to len do
begin
ans[i] := ans[i] * mul + x;
x := ans[i] div JINDU;
ans[i] := ans[i] mod JINDU;
end;
if x > 0 then
begin
inc(len);
ans[len] := x;
end;
dec(t, 6);
end;
end;
//除以3
procedure div3;
var
i, x, t: longint;
begin
i := len;
x := 0;
while i > 0 do
begin
t := (x * JINDU + ans[i]);
ans[i] := t div 3;
x := t mod 3;
dec(i);
end;
while ans[len] = 0 do dec(len);
end;

begin
assign(input, 'main.in'); reset(input);
assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

while not eof do
begin
readln(n);
if n=1 then //特殊情况处理
begin
writeln(0);
continue;
end;
fillchar(ans, sizeof(ans), 0);
calc2;
if odd(n) then
dec(ans[1])
else
inc(ans[1]);
div3;
write(ans[len]);
for i := len-1 downto 1 do
PrintANumber(ans[i]);
writeln;
end;

close(input); close(output);
end.

Sublime configuration for Pascal

鉴于 U 盘中 Sublime 的配置常常莫名其妙地消失,在此将其记录一下。

Code

{
"cmd": ["fpc", "-S2", "${file}", "-o${file_path}/${file_base_name}.exe"],
"file_regex": "^(..[^:]*):([0-9]+):?([0-9]+)?:? (.*)$",
"working_dir": "${file_path}",
"selector": "source.pascal",

"variants": [
{
"name": "Run",
"cmd": ["cmd", "/c", "fpc", "-S2", "${file}", "-o${file_path}/${file_base_name}.exe",
"&&", "${file_path}/${file_base_name}.exe"]
}
],

"osx":
{
"path": "/usr/local/bin:/usr/bin:/bin:${path}"
}
}

UVa11526 H(n)

链接:Link 耗时:2.232s

分析

粗看题目,不过就是要求这样一个式子:$\sum_{i=1}^n{[\frac{n}{i}]}$的值。但注意到:题目给的数据范围极大,有$2^{31}-1$之多,若遍历计算,则时间复杂度为$O(n)$,将严重超时,不可取。

而事实上,通过尝试我们可以发现:$\sum_{i=1}^{n}{[\frac{n}{i}]}=2*\sum_{i=1}^{\sqrt n}{[\frac{n}{i}]}-{[\sqrt n]}^2$,这是一个重要的结论。因为这条式子一旦成立,时间复杂度即可从$O(n)$降为$O(\sqrt n)$,这是一个极为可观的改善。下面我们来证明一下这个结论:

事实上,

$$ \begin{aligned} \sum_{i=[{\sqrt n}]+1}^{n}{[\frac{n}{i}]} &=1\times(n-[\frac{n}{2}])+2\times([\frac{n}{2}]-[\frac{n}{3}])+\ldots+[\sqrt{n}]\times([\frac{n}{\sqrt{n}}]-{[\frac{n}{\sqrt n}+1]}) \\ &=n+[\frac{n}{2}]+[\frac{n}{3}]+\ldots+[\frac{n}{\sqrt n}]-[\sqrt n]\times[\frac{n}{[\sqrt n]+1}] \\ &=\sum_{i=1}^{[\sqrt n]}{[\frac{n}{i}]}-{[\sqrt n]}^2 \end{aligned}$$

从而,命题得证。

Code

var
n, _, i: longint;

function h: int64; inline;
var
k, t: longint;
begin
h := 0;
t := trunc(sqrt(n));
k := 1;
while k <=t do
begin
h := h + n div k;
inc(k);
end;
h := h * 2 - t * t;
end;

begin
assign(input, 'main.in'); reset(input);
assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

readln(_);
while _ > 0 do
begin
dec(_);
readln(n);
if n <= 0 then
writeln(0)
else
writeln(h);
end;

close(input);
close(output);
end.

UVa817 According to Bartjens

链接:Link 状态:WA

分析

做了两个小时,很可惜最终还是 WA 了。非常奇怪——和网上的 C++ 代码运行结果完全一样,但却 WA 了。不过,在这里我还是记录一下解题的过程。 这道题数据量很小,直接爆搜每个空位,用 *, +, -, #0 来代表符号或不填。

Code

const
operators: array [1..4] of char = ('*', '+', '-', #0); //符号
var
s: string;
_, n: integer;
op: array [0..10] of char;
yes: Boolean;

function toValue(ch: char): integer;
begin
exit(ord(ch) - ord('0'));
end;

procedure calcAndPrint;
var
numtop, opstop: Integer; //数字栈,符号栈
num: array [1..10] of longint;
ops: array [1..10] of char;
i: integer;
begin
i := 1;
numtop := 1;
num[numtop] := toValue(s[1]);
opstop := 0;
while i <= n do
begin
while (i < n) and (op[i] = #0) do
begin
inc(i);
num[numtop] := num[numtop] * 10 + toValue(s[i]);
end;
if (op[i] in ['+', '-']) or (i >= n) then
begin
while (opstop > 0) and (ops[opstop] = '*') do
begin
dec(opstop);
num[numtop - 1] := num[numtop] * num[numtop -1];
dec(numtop);
end;
end;
if i >= n then break;
inc(opstop);
ops[opstop] := op[i];
inc(i);
inc(numtop);
num[numtop] := toValue(s[i]);
end;
i := 1;
while i < numtop do
begin
if ops[i] = '+' then
num[i+1] := num[i] + num[i+1]
else
num[i+1] := num[i] - num[i+1];
inc(i);
end;
if (num[numtop] = 2000) and (opstop > 0) then
begin
yes := True;
write(' ');
for i := 1 to n do
begin
write(s[i]);
if op[i] <> #0 then
write(op[i]);
end;
writeln('=');
end;
end;

procedure dfs(t: integer); //搜索第t个位置
var
i: Integer;
ch: char;
begin
if t = n then
begin
calcAndPrint;
exit;
end;
for i := 1 to 4 do
begin
ch := operators[i];
if (ch = #0) and (s[t] = '0') and ((t = 1) or (t > 1) and (op[t-1] <> #0)) then continue;
op[t] := ch;
dfs(t+1);
end;
end;

var
i: Integer;

begin
assign(input, 'main.in'); reset(input);
assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

readln(s);
_ := 0;
while not eof and (s[1] <> '=') do
begin
i := 1;
while not (s[i] in ['0'..'9', '=']) do
begin
inc(i);
end;
delete(s, 1, i-1);
n := pos('=', s) - 1;
inc(_);
writeln('Problem ', _);
yes := False;
fillchar(op, sizeof(op), 0);
dfs(1);
if not yes then
writeln(' IMPOSSIBLE');
readln(s);
end;

close(input); close(output);
end.

UVa225 Golygons

链接:Link 耗时:0.699s

思路

dfs(t, x, y, d, s) 表示当前走了 t 步,在 (x,y),上一个方向为 d,s 为一个求和用的辅助变量。

当前位置无法走完剩下的路时直接回溯。可节省接近 2s 的时间。

p.s. 这道题虽然没有明说每个城市只走一次,但它的确那样判了,这一点坑了我好久。

Code

//Accepted.
const
dx: array [1..4] of integer = (1, 0, 0, -1);
dy: array [1..4] of integer = (0, 1, -1, 0);
dir: array [1..4] of char = ('e', 'n', 's', 'w');

var
a: array [1..50, 1..2] of integer; //障碍物
k, i, n, _, x, y: integer;
ans: array [1..20] of char;
tot: longint;
vis: array [-220..220, -220..220] of boolean;

function judge(x1, y1, x2, y2: longint): Boolean; //判断刚刚走过的路上是否有障碍物
var
i: Integer;
begin
judge := False;
if x1 = x2 then
begin
for i := 1 to k do
if (a[i, 1] = x1) and ((a[i, 2] - y1)*(a[i, 2] - y2) <= 0) then exit;
end
else
for i := 1 to k do
if (a[i, 2] = y2) and ((a[i, 1] - x1)*(a[i, 1] - x2) <= 0) then exit;
judge := True;
end;

procedure print;
var
i: Integer;
begin
for i := 1 to n do write(ans[i]);
writeln;
inc(tot);
end;

procedure dfs(t, x, y, d, s: integer);
var
i, sum: Integer;
tx, ty: longint;
begin
if t = n then
begin
if (x = 0) and (y = 0) then print;
exit;
end;

sum := s - t - 1;
inc(t);

for i := 1 to 4 do
begin
if (i = d) or (i + d = 5) then continue; //方向相同或相反
tx := x + dx[i] * t;
ty := y + dy[i] * t;
if vis[tx, ty] then continue; //走过
if abs(tx) + abs(ty) > sum then continue; //回不去,剪枝
if not judge(x, y, tx, ty) then continue; //有障碍物
ans[t] := dir[i];
vis[tx, ty] := True;
dfs(t, tx, ty, i, sum);
vis[tx, ty] := False;
end;
end;

begin
assign(input, 'main.in'); reset(input);
assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

readln(_);
while _ > 0 do
begin
dec(_);
read(n, k);
fillchar(vis, sizeof(vis), 0);
for i := 1 to k do
read(a[i, 1], a[i, 2]);
fillchar(ans, sizeof(ans), 0);
tot := 0;
dfs(0, 0, 0, -1, n * (n+1) div 2);
writeln('Found ', tot, ' golygon(s).');
writeln;
end;

close(input); close(output);
end.