【算法】树状数组维护总结

本文仅对树状数组的使用作一个总结，并非讲解。

这里的操作都对长度为 $n$ 的数组 $a$ 进行操作。

单点修改，区间查询

• 暴力做法：

  • 修改：$a[x]=y$，时间复杂度为 $O(1)$
  • 查询：$\sum _{i=l}^{r}a[i]$ ，时间复杂度为 $O(n)$

• 树状数组：
  $tr$ 数组 对 $a$ 数组进行维护

  • 修改：

    void update(int x, int y) {
    	while (x <= n) tr[x] += y, x += (x & (-x));
    }
    
    update(x, y);
    

    时间复杂度为 $O(\log n)$

  • 查询：

    int query(int x) {
    	int ans = 0;
    	while (x >= 1) ans += tr[x], x -= (x & (-x));
    	return ans;
    }
    

    时间复杂度为 $O(\log n)$

区间修改，单点查询

• 暴力做法：

  • 修改：$a[l]=a[l]+x,\cdots ,a[r]=a[r]+x$，时间复杂度为 $O(n)$
  • 查询：$a[x]$，时间复杂度为 $O(1)$

• 树状数组：
  $b$ 数组是 $a$ 的差分数组。$tr$ 数组对 $b$ 数组进行维护

  • 修改：

    void update(int x, int y) {
    	while (x <= n) tr[x] += y, x += (x & (-x));
    }
    
    update(l, x);
    update(r + 1, -x);
    

    时间复杂度为 $O(\log n)$
  • 查询：

    int query(int x) {
    	int ans = 0;
    	while (x >= 1) ans += tr[x], x -= (x & (-x));
    	return ans;
    }
    
    query(x);
    

    时间复杂度为 $O(\log n)$

区间修改，区间查询

区间查询的的公式为：$\sum _{i=l}^{r}a[i]$，我们先考虑如何求 $\sum _{i=1}^{p}a[i]$

问题转换为如何去求解这个公式，暴力情况下，求 $a[i]$ 是 $O(\log n)$，总时间复杂度为 $O(n\log n)$。

但是我们可以拆分这个公式：
$\begin{array}{rl}\sum _{i=1}^{p}a[i]& =\sum _{i=1}^p\sum _{j=1}^{i}b[j]\\ & =p\times b[1]+(p-1)\times b[2]+\cdots +1\times b[p]\\ & =((p+1)\times \sum _{i=1}^{p}b[i])-(1\times b[1]+2\times b[2]+\cdots +p\times b[p])\end{array}$

所以我们再用一个额外的树状数组去维护 $i\times b[i]$ 即可。

// 区间修改[x, n]
const int N =100010;
int tr1[N], tr2[N];
void update(int x, int y) {
	int val2 = x * y;
	while (x <= n) {
		tr1[x] += y;
		tr2[x] += val2;
		x += (x & (-x));
	}
}
update(l, d);      // a[l, n] += d;
update(r + 1, -d); // a[r + 1, n] -= d

// 区间查询(1, x)
int query(int x) {
	int p = x;
	int val1 = 0, val2 = 0;
	while (x >= 1) {
		val1 += tr1[x];
		val2 += tr2[x];
		x -= (x & -x);
	}
	return (p + 1) * val1 - val2;
}
// 查询 a[l, r]
query(1, r) - query(1, l - 1);

时间复杂度为 $O(\log n)$