【数据结构练习】 求区间第K大数的几种方法
这类求数列上区间第K大数的题目非常非常多(当然题目要求通常是求区间第K小)。
比如HDOJ 2665，POJ 2104，SOJ 3147，SOJ 3010，SOJ 3102(只计算一次)，POJ 2761(区间不包含)。
求解这个问题的方法也非常多，在这里对几种我认为比较常见的方法做一下总结，今后也会不断补充。
当然，几乎所有的高级数据结构都可以用来求区间第K大数，我也认为这是初学一个数据结构时的一个很好的练习。
高级数据结构是我的软肋之一，如果代码写的有什么不优越的地方，欢迎神犇指教 > < 。
1、快速划分
最简单的方法，当然就是用类似快排的方法做快速划分，
每次随机选取一个数作为“主元”，以“主元”为分界线把当前区间的数划分成两部分，并找出“主元”的精确位置，然后不断递归。
关于这个算法的讲解可以看MIT的《算法导论》公开课。
无奈我太蒟蒻，怎么都是TLE，大家姑且一看：
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sstream>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<string>
#include<climits>
#include<ctime>
#include<cmath>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<vector>
#include<stack>
#include<set>
#include<map>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define eps 1e-8
using namespace std;
const int MAXN=110000;
int a[MAXN],b[MAXN];
char s[2000000];
int quicksort(int p, int q)
{
int k=p+((int)rand()%(q-p+1));
swap(b[k],b[p]);
int i=p;
for(int j=p+1; j<=q; j++)
{
if(b[j]<b[p])
{
i++;
swap(b[i],b[j]);
}
}
swap(b[i],b[p]);
return i-p+1;
}
int solve(int p, int q, int k)
{
int tmp;
while((tmp=quicksort(p,q))!=k)
{
if(tmp<k)
{
p+=tmp;
k-=tmp;
}
else
{
q=p+tmp-1;
}
}
return b[p+tmp-1];
}
int main()
{
int n,m;
while(scanf("%d%d",&n,&m)==2)
{
for(int i=0; i<n; i++)
{
scanf("%d",&a[i]);
}
while(m--)
{
int l,r,k;
scanf("%d%d%d",&l,&r,&k);
memcpy(b,a,n*sizeof(int));
printf("%d\n",solve(l-1,r-1,k));
}
}
return 0;
}
2、二叉堆
用一个容量为K的二叉堆，把当前区间的元素全部入堆，但是每次只保留这个堆中前K小的数，最后这个堆中的堆顶元素即为所求
这个算法肯定更加是TLE的，我相信即使手写堆也多半时过不了的，给大家写一段代码示意一下：
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sstream>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<string>
#include<climits>
#include<ctime>
#include<cmath>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<vector>
#include<stack>
#include<set>
#include<map>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define eps 1e-8
using namespace std;
const int MAXN=110000;
int a[MAXN];
priority_queue<int> q;
int main()
{
int cas;
scanf("%d",&cas);
while(cas--)
{
int n,m;
scanf("%d%d",&n,&m);
for(int i=0; i<n; i++)
{
scanf("%d",&a[i]);
}
while(m--)
{
int l,r,k;
scanf("%d%d%d",&l,&r,&k);
l--;
r--;
while(!q.empty())
{
q.pop();
}
int cot=0;
for(int i=l; i<=r; i++)
{
q.push(a[i]);
cot++;
if(cot>k)
{
q.pop();
cot--;
}
}
printf("%d\n",q.top());
}
}
return 0;
}
3、树状数组
小伙伴们喜闻乐见的树状数组也可以用来求区间第K大数哦！
树状数组中的+-lowbit，实际上就是在“树”上实现了跳到父节点/子节点的操作。
由此可以二分地求出第K大数。
参考了clj的代码和一篇解题报告，这个是只能在固定区间求的。
当然想要在任意子区间求显然也不难，只要每次重新建树就可以了。
和上面一样，这个代码也是无论如何都过不了的 > < 。
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sstream>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<string>
#include<climits>
#include<cmath>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<vector>
#include<stack>
#include<set>
#include<map>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define eps 1e-8
using namespace std;
const int MAXP = 22;
const int MAXN = 2100000;
vector<int> hash;
int a[MAXN], tr[MAXN];
int m;
void add(int x)
{
while(x <= m)
{
tr[x]++;
x+=x&(-x);
}
}
int solve(int k)
{
int cnt = 0, ans = 0;
for (int i = MAXP-1; i >= 0; i--)
{
ans += 1 << i;
if (ans >= m || cnt + tr[ans] >= k)
{
ans -= 1 << i;
}
else
{
cnt += tr[ans];
}
}
return ans + 1;
}
int main()
{
int n,k;
while(scanf("%d%d", &n, &k)==2)
{
hash.clear();
memset(tr, 0, sizeof(tr));
for(int i = 1; i <= n; i ++)
{
scanf("%d", &a[i]);
hash.push_back(a[i]);
}
sort(hash.begin(), hash.end());
hash.erase(unique(hash.begin(), hash.end()), hash.end());
m = hash.size();
for(int i = 1; i <= n; i ++)
{
a[i] = lower_bound(hash.begin(), hash.end(), a[i]) - hash.begin();
add(a[i]+1);
}
printf("%d\n", hash[solve(k)-1]);
}
return 0;
}
-------------------------------------------------------------------------下面介绍几种不TLE的----------------------------------------------------------------------------
4、划分树
划分树是一种线段树。
可以用来求区间第K大。
学划分树墙裂建议做一下HDOJ 4417，可以通过对代码稍加改动，由求区间第K大转化为求区间内小于某个值的数有多少个(不需二分哟)。
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sstream>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<string>
#include<climits>
#include<cmath>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<vector>
#include<stack>
#include<set>
#include<map>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define eps 1e-8
using namespace std;
const int MAXN=110000;
int tr[MAXN<<2];
int sorted[MAXN],toleft[20][MAXN],val[20][MAXN];
void build(int l, int r, int dep, int rt)
{
if(l==r)
{
return;
}
int mid=(l+r)>>1;
int lnum=mid-l+1;
for(int i=l; i<=r; i++)
{
if(val[dep][i]<sorted[mid])
{
lnum--;
}
}
int lp=l,rp=mid+1;
int cur_lnum=0;
for(int i=l; i<=r; i++)
{
if(i==l)
{
toleft[dep][i]=0;
}
else
{
toleft[dep][i]=toleft[dep][i-1];
}
if(val[dep][i]<sorted[mid])
{
toleft[dep][i]++;
val[dep+1][lp++]=val[dep][i];
}
else if(val[dep][i]>sorted[mid])
{
val[dep+1][rp++]=val[dep][i];
}
else
{
if(cur_lnum<lnum)
{
cur_lnum++;
toleft[dep][i]++;
val[dep+1][lp++]=val[dep][i];
}
else
{
val[dep+1][rp++]=val[dep][i];
}
}
}
build(l,mid,dep+1,rt<<1);
build(mid+1,r,dep+1,rt<<1|1);
}
int query(int l, int r, int L, int R, int k, int dep, int rt)
{
if(l==r)
{
return val[dep][l];
}
int lnum,cur_lnum,rnum,cur_rnum;
int mid=(l+r)>>1;
if(l==L)
{
lnum=toleft[dep][R];
cur_lnum=0;
}
else
{
lnum=toleft[dep][R]-toleft[dep][L-1];
cur_lnum=toleft[dep][L-1];
}
if(lnum>=k)
{
int newL=l+cur_lnum;
int newR=l+lnum+cur_lnum-1;
return query(l,mid,newL,newR,k,dep+1,rt<<1);
}
else
{
int rnum=R-L+1-lnum;
int cur_rnum=L-l-cur_lnum;
int newL=mid+cur_rnum+1;
int newR=mid+cur_rnum+rnum;
return query(mid+1,r,newL,newR,k-lnum,dep+1,rt<<1|1);
}
}
int main()
{
int cas;
scanf("%d",&cas);
while(cas--)
{
int n,m;
scanf("%d%d",&n,&m);
for(int i=0; i<n; i++)
{
scanf("%d",&val[0][i]);
sorted[i]=val[0][i];
}
sort(sorted,sorted+n);
build(0,n-1,0,1);
while(m--)
{
int l,r,k;
scanf("%d%d%d",&l,&r,&k);
l--;
r--;
printf("%d\n",query(0,n-1,l,r,k,0,1));
}
}
return 0;
}
5、归并树
归并树跟划分树是一对好基友。
不过我短时间内不打算学。
先开个坑，丢个别人的解题报告：
6、主席树(可持久化线段树/函数式线段树)
主席树的核心要义，就是每次更新都只新建被更新了的节点(O(lgn)个)，而保存历史版本
感谢sd6001和ftiasch的模板
数组版：
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sstream>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<string>
#include<climits>
#include<cmath>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<vector>
#include<stack>
#include<set>
#include<map>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define eps 1e-8
using namespace std;
const int MAXN = 100005;
const int MAXM = 2000005;
vector<int> hash;
int a[MAXN];
int tot;
struct NODE
{
int count;
int left, right;
};
int root[MAXN];
NODE node[MAXM];
int null;
int newnode(int count, int left, int right)
{
node[tot].count=count;
node[tot].left=left;
node[tot].right=right;
return tot++;
}
int insert(int rt, int l, int r, int k)
{
if (l <= k && k <= r)
{
if (l == r)
{
return newnode(node[rt].count + 1, 0, 0);
}
int m = (l + r) >> 1;
return newnode(node[rt].count + 1,
insert(node[rt].left, l, m, k),
insert(node[rt].right, m + 1, r, k));
}
return rt;
}
int query(int p, int q, int l, int r, int k)
{
if (l == r)
{
return hash[l];
}
int m = (l + r) >> 1;
int cot = node[node[q].left].count - node[node[p].left].count;
if (cot >= k)
{
return query(node[p].left, node[q].left, l, m, k);
}
return query(node[p].right, node[q].right, m + 1, r, k - cot);
}
int main()
{
int cas;
scanf("%d", &cas);
while(cas --)
{
int n, q;
scanf("%d%d", &n, &q);
hash.clear();
tot = 0;
for(int i = 1; i <= n; i ++)
{
scanf("%d", &a[i]);
hash.push_back(a[i]);
}
sort(hash.begin(), hash.end());
hash.erase(unique(hash.begin(), hash.end()), hash.end());
int m = hash.size();
null = newnode(0, 0, 0);
root[0] = newnode(0, 0, 0);
for(int i = 1; i <= n; i ++)
{
a[i] = lower_bound(hash.begin(), hash.end(), a[i]) - hash.begin();
root[i] = insert(root[i - 1], 0, m - 1, a[i]);
}
while(q--)
{
int l, r, k;
scanf("%d%d%d", &l, &r, &k);
printf("%d\n", query(root[l - 1], root[r], 0, m - 1, k));
}
}
return 0;
}
动态分配内存版：
注意：由于这个模板只有new没有delete，所以可想而知所有case的申请内存都叠加在了一起，分分钟MLE无鸭梨。
目前这个模板只能过SOJ 3147。不过在单case评测的OJ，这样写还是很优雅的。
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sstream>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<string>
#include<climits>
#include<cmath>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<vector>
#include<stack>
#include<set>
#include<map>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define eps 1e-8
using namespace std;
const int MAXN = 100005;
vector<int> hash;
int a[MAXN];
struct node
{
int count;
node *left, *right;
node(int count, node* left, node* right):
count(count), left(left), right(right) {}
node* insert(int k);
node* insert(int l, int r, int k);
};
node* root[MAXN];
node* null = new node(0, NULL, NULL);
node* node::insert(int l, int r, int k)
{
if (l <= k && k <= r)
{
if (l==r)
{
return new node(this->count + 1, null, null);
}
int m = (l + r) >> 1;
return new node(this->count + 1,
this->left->insert(l, m, k),
this->right->insert(m + 1, r, k));
}
return this;
}
int query(node *p, node *q, int l, int r, int k)
{
if (l == r)
{
return hash[l];
}
int m = (l + r) >> 1;
int cot = q->left->count - p->left->count;
if (cot >= k)
{
return query(p->left, q->left, l, m, k);
}
return query(p->right, q->right, m+1, r, k - cot);
}
int main()
{
int cas;
null->left = null->right = null;
scanf("%d", &cas);
while(cas --)
{
int n,q;
scanf("%d%d", &n, &q);
hash.clear();
for(int i = 1; i <= n; i ++)
{
scanf("%d", &a[i]);
hash.push_back(a[i]);
}
sort(hash.begin(), hash.end());
hash.erase(unique(hash.begin(), hash.end()), hash.end());
int m = hash.size();
root[0] = null;
for(int i = 1; i <= n; i ++)
{
a[i] = lower_bound(hash.begin(), hash.end(), a[i]) - hash.begin();
root[i] = root[i-1]->insert(0,m - 1,a[i]);
}
while(q --)
{
int l, r, k;
scanf("%d%d%d", &l, &r, &k);
printf("%d\n", query(root[l - 1], root[r], 0, m - 1, k));
}
}
return 0;
}
7、Treap
Treap做区间第K大数最好做POJ 2761，因为这道题有个条件是区间不包含，否则复杂度会上升很多。
这道题实际上就是维护一个FIFO队列，使得处理某个询问时，treap中只包含正在询问的这个区间。
感谢 ftiasch 的模板。
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <sstream>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <string>
#include <climits>
#include <cmath>
#include <queue>
#include <vector>
#include <stack>
#include <set>
#include <map>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define eps 1e-8
#define fi first
#define nd second
using namespace std;
typedef pair<int, int> PII;
const int MAXN = 110000;
const int MAXM = 51000;
int treap_size;
int key[MAXN], weight[MAXN], cot[MAXN], size[MAXN], cld[MAXN][2];
pair<PII, PII> query[MAXM];
int ans[MAXM];
int a[MAXN];
bool cmp(const pair<PII, PII> &a, const pair<PII, PII> &b)
{
return a.fi < b.fi;
}
void update(int &x)
{
size[x] = size[cld[x][0]] + size[cld[x][1]] + cot[x];
}
void rotate(int &x, int flg)
{
int y = cld[x][flg];
cld[x][flg] = cld[y][flg ^ 1];
cld[y][flg ^ 1] = x;
update(x);
update(y);
x = y;
}
void insert(int &x, int k)
{
if(x)
{
if(key[x] == k)
{
cot[x] ++;
}
else
{
int flg = key[x] < k;
insert(cld[x][flg], k);
if (weight[cld[x][flg]] < weight[x])
{
rotate(x, flg);
}
}
}
else
{
x = treap_size ++;
key[x] = k;
weight[x] = rand();
cot[x] = 1;
cld[x][0] = cld[x][1] = 0;
}
update(x);
}
void erase (int &x, int k)
{
if(key[x] == k)
{
if(cot[x] > 1)
{
cot[x] --;
}
else
{
if(!cld[x][0] && !cld[x][1])
{
x = 0;
return;
}
rotate(x, ! (weight[cld[x][0]] < weight[cld[x][1]]));
erase(x, k);
}
}
else
{
erase(cld[x][key[x] < k], k);
}
update(x);
}
int calc(int &x, int k)
{
if(size[cld[x][0]] >= k)
{
return calc(cld[x][0], k);
}
if(k <= size[cld[x][0]] + cot[x])
{
return key[x];
}
return calc(cld[x][1], k - (size[cld[x][0]] + cot[x]));
}
void treap_init()
{
treap_size = 1;
size[0] = 0;
weight[0] = INT_MAX;
}
int main()
{
int n, m;
while(scanf("%d %d", &n, &m) == 2)
{
treap_init();
for(int i = 0; i < n; i ++)
{
scanf("%d", &a[i]);
}
for(int i = 0; i < m; i ++)
{
scanf("%d %d %d", &query[i].fi.fi, &query[i].fi.nd, &query[i].nd.fi);
query[i].fi.fi --;
query[i].fi.nd --;
query[i].nd.nd = i;
}
sort(query, query + m, cmp);
int front = 0, rear = 0;
int root = 0;
for(int i = 0; i < m; i ++)
{
while(rear <= query[i].fi.nd)
{
insert(root, a[rear ++]);
}
while(front < query[i].fi.fi)
{
erase(root, a[front ++]);
}
ans[query[i].nd.nd] = calc(root, query[i].nd.fi);
}
for(int i = 0; i < m; i ++)
{
printf("%d\n", ans[i]);
}
}
return 0;
}
8、红黑树
这个必须可以搞。。
不过正常人不会想要手写红黑树吧。。
所以也无限期搁置。。
9、SPLAY
待学。
稍安勿躁 >_<