Изменения

Перейти к: навигация, поиск

Многомерное дерево Фенвика

5595 байт добавлено, 19:07, 4 сентября 2022
м
rollbackEdits.php mass rollback
{{Определение|definition='''Многомерное [[Дерево дерево Фенвика]] легко обобщается ''' (англ. <i> Multidimensional Binary Indexed Tree</i>) {{---}} структура данных, требующая <tex> O(n^k) </tex> памяти и позволяющая эффективно (за <tex> O(\log^k n) </tex>)# изменять значение любого элемента в k-мерном массиве;# выполнять некоторую ассоциативную, коммутативную, обратимую операцию <tex> G </tex> на многомерный случайk-мерном прямоугольнике <tex> [i_1, \ldots ,i_k] </tex>;<br/> где n - максимальное значение для каждой координаты.}}Рассмотрим для начала дерево Фенвика на примере k-мерного массива с <tex>k = 2</tex>, а затем посмотрим, как можно обобщить его на большие размерности.
Пусть дан массив <tex> A </tex> из <tex> n \times m </tex> элементов: <tex> a_{i,j}</tex>.<br/>
Деревом Фенвика будем называть массив <tex> T </tex> из <tex> n \times m </tex> элементов: <tex> T_{i,j} = \sum\limits_{k = F(i)}^{i} \sum\limits_{q = F(j)}^{j}a_{k,q}</tex>, где <tex>F(i) = i\; \&\; (i + 1)</tex>, как и в одномерном [[дерево Фенвика|дереве Фенвика]].
==Пример задачи для двумерного случая==
Пусть имеем набор точек на плоскости с неотрицательными координатами. Определены 3 операции:
# добавить точку в <tex>(x, y)</tex>;
# удалить точку из <tex>(x, y)</tex>;
# посчитать количество точек в прямоугольнике <tex>(0, 0), (x, y)</tex>;
Пример реализации для двумерного случая:<tex>n</tex> {{---}} количество точек, <tex>maxX</tex> {{---}} максимальная <tex>X</tex> координата, <tex>maxY</tex> {{---}} максимальная <tex>Y</tex> координата.<br/>Тогда дерево строится за <tex>O(n\cdot\log(maxX)\cdot\log(maxY))</tex>, а запросы выполняются за <tex>O(\log (maxX)\cdot\log (maxY))</tex>
Добавляя точку вызовем <codetex>\mathrm{inc}(x, y, 1)</tex>, а удаляя <tex>\mathrm{inc}(x, y, -1)</tex>. Таким образом запрос <tex>\mathrm{sum}(x, y)</tex>дает количество точек в прямоугольнике.  vector [[Файл:example42.gif |thumb|600px|center|Пример дерева Фенвика <tex>(16 \times 8)</tex>. Синим обозначены элементы, которые обновятся при изменении ячейки <tex>(5, 3)</tex>. Чтобы обновить элемент <tex>(X, Y)</tex>, по первой координате нам надо зайти во все столбцы(деревья по второй координате), находящиеся левее <tex>X<vector /tex> и на одной горизонтальной линии с ним, и в каждом из них обновить все ячейки под <inttex> Y</tex> (в рамках обозначений данного рисунка).]] ==Псевдокод==<tex>\mathtt{t;}</tex> {{---}} массив, в котором хранится дерево Фенвика. int n, m<code style = "display: inline-block;"> '''int ''' sum (x: '''int x''', y: '''int y''') {: '''int ''' result = 0; '''for ''' ('''int ''' i = x; i >= 0; i = (i & (i+1)) - 1) '''for ''' ('''int ''' j = y; j >= 0; j = (j & (j+1)) - 1) result += t[i][j]; '''return ''' result; }</code> <code style = "display: inline-block;"> void '''func''' inc (x: '''int x''', y: '''int y''', delta: '''int delta''') {: '''for ''' ('''int ''' i = x; i < nmaxX; i = (i | (i+1))) '''for ''' ('''int ''' j = y; j < mmaxY; j = (j | (j+1))) t[i][j] += delta; }
</code>
 
Чтобы посчитать значение функции для прямоугольника <tex>(x_1, y_1), (x_2, y_2)</tex> нужно воспользоваться формулой [[Формула включения-исключения|включения-исключения]]. Например, для суммы: <tex>s = \mathrm{sum}(x_2,y_2)-\mathrm{sum}(x_2,y_1 - 1)-\mathrm{sum}(x_1 - 1,y_2)+\mathrm{sum}(x_1 - 1,y_1 - 1)</tex><br/>
[[Файл:ФормулаВключения-Исключения.jpg]]
 
====Обобщение на большие размерности====
Дерево Фенвика относится к структурам данных, требующим малое количество дополнительной памяти. В комбинации с простым представлением тривиального случая данной структуры это дает возможность легко повышать размерность дерева Фенвика, в котором в ячейках какого-то фиксированного уровня будет находиться дерево меньшей размерности. Для его реализации нам достаточно во всех операциях для каждой новой размерности просто добавить вложенный цикл, пробегающий в ней соответствующие индексы.
 
==См. также==
* [[Дерево Фенвика]]
* [[Встречное дерево Фенвика]]
* [[Дерево Фенвика для некоммутативных операций]]
 
==Источники информации==
*[https://www.topcoder.com/community/data-science/data-science-tutorials/binary-indexed-trees/ Topcoder {{---}} Binary Indexed Trees]
*[http://e-maxx.ru/algo/fenwick_tree Дерево Фенвика]
 
[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория: Модификации структур данных]]
1632
правки

Навигация