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原理2
多维树状数组

我们已经知道一维树状数组修改和查询的时间复杂度均为 O (log n ),可以扩展为 m 维树状数组,其时间复杂度为 O (log m n),对该算法只需加上一层循环即可。二维数组 a [ n ][ n ]、树状数组 c [][]的查询和修改方法如下。

(1)查询前缀和。二维数组的前缀和实际上是从数组左上角到当前位置( x , y )矩阵的区间和,在一维数组查询前缀和的代码中加上一层循环即可。

算法代码:

(2)更新。若对 a [ x ][ y ]进行修改(加上 z ),则在一维数组更新的代码中加上一层循环即可。

算法代码:

(3)查询区间和值。对二维数组查询区间和,实际上是求从左上角( x 1 , y 1 )到右下角( x 2 , y 2 )子矩阵的区间和。先求出左上角(1, 1)到右下角( x 2 , y 2 )的区间和sum( x 2 , y 2 ),然后减去(1, 1)到( x 1 -1, y 2 )的区间和sum( x 1 -1, y 2 ),再减去(1, 1)到( x 2 , y 1 -1)的区间和sum( x 2 , y 1 -1),因为这两个矩阵的交叉区域多减了一次,所以再加回来,加上(1, 1)到( x 1 -1, y 1 -1)的区间和sum( x 1 -1, y 1 -1)。

算法代码:

4. 树状数组的局限性

树状数组主要用于查询前缀和、区间和及点更新,对点查询、区间修改效率较低。

前缀和查询: a [1].. a [ i ]的前缀和,普通数组需要 O ( n )时间,树状数组需要 O (log n )时间。

区间和查询: a [ i ].. a [ j ]的区间和,普通数组需要 O ( n )时间,树状数组需要 O (log n )时间。

点更新: 修改 a [ i ]加上 z ,普通数组需要 O (1)时间,树状数组需要 O (log n )时间。

点查询: 查找第 i 个元素,普通数组需要 O (1)时间,树状数组需要 O (log n )时间(求sum[ i ]-sum[ i -1])。

区间修改: 若对一个区间 a [ i ].. a [ j ]的所有元素都加上 z ,则普通数组需要 O ( n )时间,树状数组不能有效操作,只能一个一个地修改和更新,需要 O ( n log n )时间。

减法规则: 当问题满足减法规则时,例如求区间和 a [ i ].. a [ j ],则sum( i , j )=sum[ j ]-sum[ i -1]。当问题不满足减法规则时,例如求区间 a [ i ].. a [ j ]的最大值,则不可以用 a [1].. a [ j ]的最大值减去 a [1].. a [ i -1]的最大值,此时可以用线段树解决。 fJ6ZjhWbUd5Lp1qCBPg7GTke1TIyx5MgvTDPOZSnPLEsO0A20fyDqkpAIMwIOuRN

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