Реализация запроса в дереве отрезков сверху — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Реализация)
м (rollbackEdits.php mass rollback)
 
(не показано 110 промежуточных версий 14 участников)
Строка 1: Строка 1:
{{Определение
+
Данная операция позволяет выполнять запросы на [[Дерево отрезков. Построение|дереве отрезков]], причем алгоритм запускается от корня и рекурсивно идет сверху вниз.
|definition= '''Дерево отрезков''' {{---}} это структура данных, которая позволяет за асимптотику <tex>O(\log n)</tex> реализовать операции следующего вида: нахождение суммы (задача RSQ), минимума или максимума (задача RMQ) элементов массива в заданном отрезке (<tex>a[i...j]</tex>, где <tex>i</tex> и <tex>j</tex> поступают на вход алгоритма).}}При этом дополнительно возможно изменение элементов массива: как изменение значения одного элемента, так и изменение элементов на целом подотрезке массива, т.е. разрешается присвоить всем элементам <tex>a[i...j]</tex> какое-либо значение, либо прибавить ко всем элементам массива какое-либо число. Структура занимает <tex>O(n)</tex> памяти и выстраивается из массива за <tex>O(n)</tex>.  
 
  
 
==Алгоритм==
 
==Алгоритм==
 +
''Замечание.''
 +
Используем в алгоритме не отрезки, а полуинтервалы (левая граница включительно, а правая {{---}} нет).
 +
 +
Пусть есть уже [[Дерево отрезков. Построение|построенное дерево отрезков]]  и идет запрос на полуинтервале <tex>[a \ldots b)</tex>.
 +
 +
В качестве параметров рекурсий передаем следующие переменные:
 +
* <tex>node</tex> {{---}} номер (в массиве с деревом отрезков) текущей вершины дерева.
 +
* <tex>a</tex>, <tex>b</tex>  {{---}} левая и правая границы запрашиваемого полуинтервала.
 +
 +
Пусть <tex>l</tex>, <tex>r</tex> {{---}} это левая и правая границы полуинтервала, за которые "отвечает" наша вершина.
 +
Запустим рекурсивную процедуру от всего полуинтервала  (то есть от корневой вершины).
 +
 +
Для текущего состояния проверяем следующие условия:
 +
 +
* Если текущий полуинтервал не пересекается с искомым, то возвращаем нейтральный элемент.
 +
:''Например'': текущий <tex>[1 \ldots 3)</tex>, а искомый <tex>[3 \ldots 5)</tex>;
 +
 +
* Если текущий полуинтервал лежит внутри запрашиваемого полуинтервала, то возвращаем значение в текущей вершине.
 +
:''Например'': текущий <tex>[2 \ldots 3)</tex>, а искомый <tex>[2 \ldots 4)</tex>;
 +
 +
* Иначе переходим к рекурсивным вызовам функций от детей вершины. При этом возвращаем значение на текущем полуинтервале, как функцию (соответствующую типу нашего запроса) от результатов выполнения на детях.
 +
 +
Так как на каждом уровне дерева рекурсия может дойти до не более, чем двух вершин (иначе бы нашлось две рядом стоящие вершины одного уровня, объединение которых дало отрезок, за который отвечает вершина предыдущего уровня), а всего уровней <tex>\log n</tex>, то операция выполняется за <tex>O(\log n)</tex>.
 +
 +
==Пример==
 +
 +
Рассмотрим данный алгоритм на примере задачи <tex>\mathrm{RSQ}</tex> (Range Sum Query {{---}} запрос суммы на отрезке).
 +
 +
При этом сумма на текущем полуинтервале (в случае вызова рекурсий от детей) равна сумме результатов выполнения операции на этих детях.
 +
 +
Пусть дерево содержит <tex>8</tex> листьев и запрашиваемая сумма
 +
{{---}} это отрезок <tex>[1 \ldots 4]</tex> (полуинтервал <tex>[1 \ldots 5)</tex>).
 +
[[Файл:Image_4.png|right|602px|Пример рабoты алгоритма]]
 +
Рассмотрим данный алгоритм на определенных глубинах рекурсии, то есть на разных уровнях дерева (на рисунке глубина обозначена слева от уровня):
 +
 +
* На глубине <tex>0</tex>.
 +
** Текущий полуинтервал <tex>[0 \ldots 8)</tex> пересекается с <tex>[1 \ldots 5) \Rightarrow</tex> рекурсивно переходим к <tex>[0 \ldots 4)</tex> и <tex>[4 \ldots 8)</tex>
 +
 +
 +
* На глубине <tex>1</tex>.
 +
** <tex>[0 \ldots 4)</tex> и <tex>[4 \ldots 8)</tex> пересекаются с <tex> [1 \ldots 5) \Rightarrow </tex> переходим по рекурсивным вызовам на полуинтервалах <tex>[0 \ldots
 +
2)</tex>, <tex>[2 \ldots 4)</tex>, <tex>[4 \ldots 6)</tex> и <tex>[6 \ldots 8)</tex>
 +
 +
 +
* На глубине <tex>2</tex>.
 +
** <tex>[0 \ldots 2)</tex> и <tex>[4 \ldots 6)</tex> пересекаются с  <tex>[1 \ldots 5) \Rightarrow </tex> переходим в листья <tex>[0 \ldots 1), [1 \ldots 2), [4 \ldots 5), [5 \ldots 6) </tex>
 +
** <tex>[2 \ldots 4) </tex> полностью лежит внутри <tex>[1 \ldots 5) \Rightarrow </tex> возвращаем сумму на этом отрезке
 +
** <tex>[6 \ldots 8)</tex> не пересекается с <tex>[1 \ldots 5) \Rightarrow </tex> возвращаем нулевое значение
 +
 +
 +
* На глубине <tex>3</tex>.
 +
** Листья <tex>[1 \ldots 2), [4 \ldots 5)</tex> лежат в запрашиваемом интервале <tex>\Rightarrow </tex> возвращаем значения в них
 +
** Листья <tex>[0 \ldots 1), [5 \ldots 6)</tex> лежат вне <tex>[1 \ldots 5) \Rightarrow </tex> возвращаем нейтральное значение
 +
 +
Таким образом ответ на полуинтервале <tex>[1 \ldots 5)</tex> равен сумме значений в вершинах, отвечающих за полуинтервалы <tex>[1 \ldots 2)</tex>, <tex>[2 \ldots 4)</tex> и <tex>[4 \ldots 5)</tex>.
  
 
==Реализация==
 
==Реализация==
int sum (int v, int tl, int tr, int l, int r) {
+
Рассмотрим реализацию задачи о дереве отрезков с произвольной ассоциативной бинарной операцией.
if (l > r)
+
 
return 0;
+
Пусть в узлах дерева хранятся структуры из трех полей:
if (l == tl && r == tr)
+
* <tex>\mathtt{left}</tex> {{---}} левая граница полуинтервала, за который "отвечает" текущая вершина.
return t[v];
+
* <tex>\mathtt{right}</tex> {{---}} правая граница этого полуинтервала.
int tm = (tl + tr) / 2;
+
* <tex> \mathtt{res}</tex> {{---}} результат операции на полуинтервале.
return sum (v*2, tl, tm, l, min(r,tm))
+
 
+ sum (v*2+1, tm+1, tr, max(l,tm+1), r);
+
  '''int''' query('''int''' node, '''int''' a, '''int''' b)   
}
+
      l = tree[node].left
 +
      r = tree[node].right
 +
      '''if''' [l, r) <tex>\cap </tex> [a, b) == <tex>\varnothing</tex>
 +
          '''return''' ''<tex>\varepsilon</tex>''                    <span style="color:#008000">// <tex>\varepsilon</tex> {{---}} нейтральный для данной операции элемент</span>
 +
      '''if''' [l, r) <tex>\subset</tex> [a, b)
 +
          '''return''' tree[node].res
 +
      '''return''' query(node * 2 + 1, a, b) <tex> \circ </tex> query(node * 2 + 2, a, b)
 +
 
 +
==См. также==
 +
* [[Реализация запроса в дереве отрезков снизу]]
 +
* [[Дерево отрезков. Построение]]
  
==Ссылки==
+
==Источники информации==
 +
* [http://e-maxx.ru/algo/segment_tree MAXimal :: algo :: Дерево отрезков]
 +
* [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BE_%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%BA%D0%BE%D0%B2  Википедия — Дерево отрезков]
  
[http://e-maxx.ru/algo/segment_tree - MAXimal :: algo :: Дерево отрезков]
+
* [http://rain.ifmo.ru/cat/view.php/vis/trees/segment-2006 Дискретная математика: Алгоритмы — Визуализатор дерева отрезков]
  
[http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BE_%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%BA%D0%BE%D0%B2  - Дерево отрезков — Википедия]
+
[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
 +
[[Категория: Дерево отрезков]]

Текущая версия на 19:22, 4 сентября 2022

Данная операция позволяет выполнять запросы на дереве отрезков, причем алгоритм запускается от корня и рекурсивно идет сверху вниз.

Алгоритм

Замечание. Используем в алгоритме не отрезки, а полуинтервалы (левая граница включительно, а правая — нет).

Пусть есть уже построенное дерево отрезков и идет запрос на полуинтервале [math][a \ldots b)[/math].

В качестве параметров рекурсий передаем следующие переменные:

  • [math]node[/math] — номер (в массиве с деревом отрезков) текущей вершины дерева.
  • [math]a[/math], [math]b[/math] — левая и правая границы запрашиваемого полуинтервала.

Пусть [math]l[/math], [math]r[/math] — это левая и правая границы полуинтервала, за которые "отвечает" наша вершина. Запустим рекурсивную процедуру от всего полуинтервала (то есть от корневой вершины).

Для текущего состояния проверяем следующие условия:

  • Если текущий полуинтервал не пересекается с искомым, то возвращаем нейтральный элемент.
Например: текущий [math][1 \ldots 3)[/math], а искомый [math][3 \ldots 5)[/math];
  • Если текущий полуинтервал лежит внутри запрашиваемого полуинтервала, то возвращаем значение в текущей вершине.
Например: текущий [math][2 \ldots 3)[/math], а искомый [math][2 \ldots 4)[/math];
  • Иначе переходим к рекурсивным вызовам функций от детей вершины. При этом возвращаем значение на текущем полуинтервале, как функцию (соответствующую типу нашего запроса) от результатов выполнения на детях.

Так как на каждом уровне дерева рекурсия может дойти до не более, чем двух вершин (иначе бы нашлось две рядом стоящие вершины одного уровня, объединение которых дало отрезок, за который отвечает вершина предыдущего уровня), а всего уровней [math]\log n[/math], то операция выполняется за [math]O(\log n)[/math].

Пример

Рассмотрим данный алгоритм на примере задачи [math]\mathrm{RSQ}[/math] (Range Sum Query — запрос суммы на отрезке).

При этом сумма на текущем полуинтервале (в случае вызова рекурсий от детей) равна сумме результатов выполнения операции на этих детях.

Пусть дерево содержит [math]8[/math] листьев и запрашиваемая сумма — это отрезок [math][1 \ldots 4][/math] (полуинтервал [math][1 \ldots 5)[/math]).

Пример рабoты алгоритма

Рассмотрим данный алгоритм на определенных глубинах рекурсии, то есть на разных уровнях дерева (на рисунке глубина обозначена слева от уровня):

  • На глубине [math]0[/math].
    • Текущий полуинтервал [math][0 \ldots 8)[/math] пересекается с [math][1 \ldots 5) \Rightarrow[/math] рекурсивно переходим к [math][0 \ldots 4)[/math] и [math][4 \ldots 8)[/math]


  • На глубине [math]1[/math].
    • [math][0 \ldots 4)[/math] и [math][4 \ldots 8)[/math] пересекаются с [math] [1 \ldots 5) \Rightarrow [/math] переходим по рекурсивным вызовам на полуинтервалах [math][0 \ldots 2)[/math], [math][2 \ldots 4)[/math], [math][4 \ldots 6)[/math] и [math][6 \ldots 8)[/math]


  • На глубине [math]2[/math].
    • [math][0 \ldots 2)[/math] и [math][4 \ldots 6)[/math] пересекаются с [math][1 \ldots 5) \Rightarrow [/math] переходим в листья [math][0 \ldots 1), [1 \ldots 2), [4 \ldots 5), [5 \ldots 6) [/math]
    • [math][2 \ldots 4) [/math] полностью лежит внутри [math][1 \ldots 5) \Rightarrow [/math] возвращаем сумму на этом отрезке
    • [math][6 \ldots 8)[/math] не пересекается с [math][1 \ldots 5) \Rightarrow [/math] возвращаем нулевое значение


  • На глубине [math]3[/math].
    • Листья [math][1 \ldots 2), [4 \ldots 5)[/math] лежат в запрашиваемом интервале [math]\Rightarrow [/math] возвращаем значения в них
    • Листья [math][0 \ldots 1), [5 \ldots 6)[/math] лежат вне [math][1 \ldots 5) \Rightarrow [/math] возвращаем нейтральное значение

Таким образом ответ на полуинтервале [math][1 \ldots 5)[/math] равен сумме значений в вершинах, отвечающих за полуинтервалы [math][1 \ldots 2)[/math], [math][2 \ldots 4)[/math] и [math][4 \ldots 5)[/math].

Реализация

Рассмотрим реализацию задачи о дереве отрезков с произвольной ассоциативной бинарной операцией.

Пусть в узлах дерева хранятся структуры из трех полей:

  • [math]\mathtt{left}[/math] — левая граница полуинтервала, за который "отвечает" текущая вершина.
  • [math]\mathtt{right}[/math] — правая граница этого полуинтервала.
  • [math] \mathtt{res}[/math] — результат операции на полуинтервале.
 int query(int node, int a, int b)     
     l = tree[node].left
     r = tree[node].right 
     if [l, r) [math]\cap [/math] [a, b) == [math]\varnothing[/math]
         return [math]\varepsilon[/math]                    // [math]\varepsilon[/math] — нейтральный для данной операции элемент
     if [l, r) [math]\subset[/math] [a, b)
         return tree[node].res
     return query(node * 2 + 1, a, b) [math] \circ [/math] query(node * 2 + 2, a, b)

См. также

Источники информации