划分树的用法(一)：查询区间第K大值值（poj2104）

划分树的用法(一)：查询区间第K大值值（poj2104）

2012-09-28 09:05:22

标签： 划分树  poj2104  动态区间求Kth值

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    可能是我太笨的原因，一个简单的划分树竟然用了三四天才慢慢能把最基础的用法领悟到。其实也挺好的，用时间去拼聪明人的智力，只要能领悟到，我们的收获是相同的！

    好了，言归正传！划分树是线段树的深化，其本质还是线段树。划分树可以解决这样的问题（我现在也只读懂了怎么解决这一个问题）：查询序列中动态区间的第k大值。比如：POJ2104（http://poj.org/problem?id=2104）。

    我看了好多的博客和代码才慢慢明白怎么用划分树解决这一道题。如果还不懂线段树的孩子，建议先把线段树的基础用法领悟到了再看这篇博客。

     用划分树来解决选定区间内的第K大值，其实也就两步！一步是建树，另一步则是查询。

     先说我对建树的理解吧！

    建树的过程很简单：两步就OK了！

   第一步：找到序列的中位数，把大于中位数的扔到中位数的左边，小于中位数的扔到数的右边。这样整个序列就被分成了两个区间。

   第二步：对每个子区间，也分别执行第一步操作，直到序列中只有一个元素为止。

   可以看出，建树是一个递归的过程，与线段树的建树有相似之处。

   划分树的建树需要注意以下几点：

     第一：建树是分层的，所以代码中用的是二维数组tree[20][M]。一般10W级别的数据，20层已经够了。

     第二：建树划分的标准是中位数，所以需要排序。而且只排一次序就OK了，为什么只排一次就OK了，我很久都没明白这一点。其实是这样的：对于任意序列：划分后，左边的数据永远不会大于右边的数据。那么对左边数据单独排序与整体排序的结果是一样的，所以排一次序就OK了！

     第三：划分树划分好的数据永远在存放在下一层。比如数据：

 

tree[0][M]=1 5 2 6 3 7 4
排序后为：1 2 3 4 5 6 7
中位数为：4
划分后的结果为：tree[1][M]=1 2 3 4 5 6 7(这组数据有点特殊，划分后来就已经是排好序的了)
（红色表示划分到中位数的左边，黑色表示划分到中位数的右边）
接着划分：tree[2][M]=1 2 3 4 5 6 7
再接着分：tree[3][M]=1 2 3 4 5 6 0
到这里已经分完了，为什么最后是0呢？在第2层（tree[2][M]）,7已经分完了，所以不用再分

 

     第四：划分到最后，实际上已经对序列进行排序了。

     划分的时候还有一点需要处理：如果有多个数据相同怎么办呢？通过一种特殊的处理：尽量使左右两边平均分配相同的数。这个特殊处理是这样的：

    在没分之前，先假设中位数左边的数据suppose都已经分到左边了，所以suppose=mid-left+1;然后如果真的分在左边，即if(tree[level][i]<sorted[mid])

suppose--；suppose就减一！到最后，如果suppos=1，则说明中位数左边的数都小于中位数，如果有等于中位数的，则suppose大于1。 

    最后分配的时候，把suppose个数，分到左边就可以了，剩下的分到右边！因为suppose的初值是mid-left+1,这样就能保证中位数左边和右边的数平衡了！

   第五：划分的过程，需要把每层的数据记录：toLeft[20][M]。toLeft[i][j]定义为：第i层[1,j]之间有多个数据被分到了左边（注意这里用的是闭区间）。

   我能理解到建树的过程，就这么多了！

 

void build(int level,int left,int right){
    if(left==right)return ;
    int mid=(left+right)>>1;
    int i;
    int suppose;//假设在中位数sorted[mid]左边的数都全部小于sorted[mid]
    suppose=mid-left+1;
    for(i=left;i<=right;i++){
        if(tree[level][i]<sorted[mid]){
            suppose--;
        }
    }
    //如果suppose==1，则说明数组中值为sorted[mid]只有一个数。比如序列：1 3 4 5 6，sorted[mid]=4
    /*如果suppose>1，则说明数组中左半边值为sorted[mid]的不止一个数,为mid-suppose。比如序列：1 4 4 4 6，sorted[mid]=4
     *
     * */
    int lpos=left,rpos=mid+1;
    for(i=left;i<=right;i++){
        if(i==left){//这里是预处理，相当与初始化
            toLeft[level][i]=0;
        }else{
            toLeft[level][i]=toLeft[level][i-1];
        }
        if(tree[level][i]<sorted[mid]){//划分到中位数左边
            toLeft[level][i]++;
            tree[level+1][lpos++]=tree[level][i];
        }else if(tree[level][i]>sorted[mid]){//划分到中位数右边
            tree[level+1][rpos++]=tree[level][i];
        }else{//这里，suppose大于0的数划分到中位数的左边
            if(suppose!=0){//这里的处理太巧妙了！帅气！
                suppose--;
                toLeft[level][i]++;
                tree[level+1][lpos++]=tree[level][i];
            }else{//表示
                tree[level+1][rpos++]=tree[level][i];
            }
        }
    }
    build(level+1,left,mid);
    build(level+1,mid+1,right);
}

下面是查询的过程：

    建树建立好了，查询也是需要费一定的时间来理解的！

    查询最重要的有4个元素，

int s;//代表[left,qleft)之间被划分到左子树的元素数目

int ss;//代表[qleft, qright]内将被划分到左子树的元素数目

int newl;//代表新确定查询的区间左边界

int newr; //代表新确定查询区间的右边界

    很显然（一般老师说这三个字，接下来的内容都不怎么容易理解）：如果K值大于ss,我们该查询划分树当前序列的右区间，否则，查询划分树当前序列的左区间。

查询最难理解的是newl，newr的确定，这里我暂时也没完全弄明白，只理解到这里了，把所有的代码贴上来吧！有时间再好好研究！

 

#include<stdio.h>
#include<algorithm>
using namespace std;
#define M 100005
int tree[20][M],sorted[M];
int toLeft[20][M];
void build(int level,int left,int right){
    if(left==right)return ;
    int mid=(left+right)>>1;
    int i;
    int suppose;//假设在中位数sorted[mid]左边的数都全部小于sorted[mid]
    suppose=mid-left+1;
    for(i=left;i<=right;i++){
        if(tree[level][i]<sorted[mid]){
            suppose--;
        }
    }
    //如果suppose==1，则说明数组中值为sorted[mid]只有一个数。比如序列：1 3 4 5 6，sorted[mid]=4
    /*如果suppose>1，则说明数组中左半边值为sorted[mid]的不止一个数,为mid-suppose。比如序列：1 4 4 4 6，sorted[mid]=4
     *
     * */
    int lpos=left,rpos=mid+1;
    for(i=left;i<=right;i++){
        if(i==left){//这里是预处理，相当与初始化
            toLeft[level][i]=0;
        }else{
            toLeft[level][i]=toLeft[level][i-1];
        }
        if(tree[level][i]<sorted[mid]){//划分到中位数左边
            toLeft[level][i]++;
            tree[level+1][lpos++]=tree[level][i];
        }else if(tree[level][i]>sorted[mid]){//划分到中位数右边
            tree[level+1][rpos++]=tree[level][i];
        }else{//这里，suppose大于0的数划分到中位数的左边
            if(suppose!=0){//这里的处理太巧妙了！帅气！
                suppose--;
                toLeft[level][i]++;
                tree[level+1][lpos++]=tree[level][i];
            }else{//表示
                tree[level+1][rpos++]=tree[level][i];
            }
        }
    }
    build(level+1,left,mid);
    build(level+1,mid+1,right);
}
//在[left,right]数据中查询[qleft,qright]中第k大的数据
int query(int level,int left,int right,int qleft,int qright,int k){
    if( qleft==qright)
        return tree[level][qleft];
    int s;//代表[left,qleft)之间有多个个元素被分到左边
    int ss;//[qleft, qright]内将被划分到左子树的元素数目
    int mid=(left+right)>>1;
    if(left==qleft){
        s=0;
        ss=toLeft[level][qright];
    }else{
        s=toLeft[level][qleft-1];
        ss=toLeft[level][qright]-s;
    }
    int newl,newr;
    if(k<=ss){//查询左边
        newl=left+s;
        newr=left+s+ss-1;
        return query(level+1,left,mid,newl,newr,k);
    }else{//查询右边
        newl=mid-left+1+qleft-s;
        newr=mid-left+1+qright-s-ss;
        return query(level+1,mid+1,right,newl, newr,k - ss);
    }
}
int main(){
    int n,m;
    while(
            scanf("%d %d",&n,&m)!=EOF
//  ;
    ){
    int i;
    for(i=1;i<=n;i++){
        scanf("%d",&tree[0][i]);
        sorted[i]=tree[0][i];
    }
    sort(sorted+1,sorted+n+1);
    build(0,1,n);
    for(i=0;i<n;i++){
        for(int j=1;j<=n;j++){
            printf("%d ",toLeft[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    int ql,qr,k;
    for(i=0;i<m;i++){
        scanf("%d %d %d",&ql,&qr,&k);
        printf("%d\n",query(0,1,n,ql,qr,k));
    }
    }
    return 0;
}

参考博客：

    http://www.notonlysuccess.com/index.php/divide-tree/#more-142

    http://blog.csdn.net/fp_hzq/article/details/7993364

    http://www.cnblogs.com/pony1993/archive/2012/07/17/2594544.html

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