浅谈树套树(线段树套平衡树)&学习笔记

本文介绍了树套树的概念,特别是线段树套平衡树的实现和用途,包括查询区间内元素排名、值、前驱和后继等操作。虽然线段树套平衡树模板代码量较大,但适合解决带修改的区间(K)大问题。文章通过实例解析了查询和修改的基本操作,并提及了一些相关题目。

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0XFF 前言

*如果本文有不好的地方,请在下方评论区提出,Qiuly感激不尽!

0X1F 这个东西有啥用?

树套树------线段树套平衡树,可以用于解决待修改区间\(K\)大的问题,当然也可以用 树套树------树状数组套可持久化线段树,但是 线段树套平衡树 更加容易理解,更加便于新手理解,所以一般也作为树套树的入门类别。
对于静态区间\(K\)大,我们可以用小巧精悍的主席树来做,也可以用强大无比的\(Splay\)来做。如果带修改,主席树就无能为力了,\(Splay\)也会变得很棘手难打。如果用普通线段树,每个节点都有着一课包含子节点的\(Splay\),对于一个区间,直接调用线段树上的\(Splay\)就迎刃而解了。这时的\(Splay\)不是对全局,而是只对这个线段树节点代表的区间。

当然,树套树------线段树套平衡树并不是那么的好打,还是要动纸笔 and 动脑筋。缺点也是有的:因为要打\(Splay\)和线段树,模板的码量就有 \(150\) 行!因为线段树本来就是易手滑的数据结构,稍不留神可能会让你调上好久!另外,因为\(Splay\)的常数极大,再这么通过线段树一罩,效率就下来了许多,常数巨大无比......总之 树套树 是一个很强的数据结构,但是如果题目不是强制在线的话,\(CDQ\)分治整体二分会将树套树吊起来打!
------------Qiuly


0X2F 这个东西怎么实现?

首先,线段树套平衡树可以解决的一般问题如下:

    1. 查询 \(k\) 在区间 \(l,r\) 内的排名
    1. 查询区间 \(l,r\) 内排名为 \(k\) 的值
    1. 修改某一位置上的数值
    1. 查询 \(k\) 在区间 \(l,r\) 内的前驱
    1. 查询 \(k\) 在区间 \(l,r\) 内的后继
    1. 修改区间 \(l,r\) 的值(集体加减)(不会)

............

我们今天来讲讲前五个基础操作怎么实现(我只会前五个操作)

0X2f-1 查询 \(k\) 在区间 \(l,r\) 内的排名

我们先将一个外面的线段树画下来:

TIM%E6%88%AA%E5%9B%BE20190121092840.png

(叶子节点中的数字是序列各个元素的权值)

假设我们现在要查询区间 \(3,8\)\(5\) 的排名。

查询一个数的排名,很显然,就是查询这个区间内有多少个数比 Ta 小,然后在+1(即自己)。

那怎么查询 \(3,8\) 区间内有多少个数比他小呢?\(3,8\) 不是整个线段树节点啊。

我们可以将它分成若干个线段树节点来处理。

Code:

inline int Splay_rank(int i,int k){//i表示以线段树的i号节点为根的Splay
    int x=rt[i],cal=0;//板子就不再赘述了
    while(x){
        if(v[x]==k)return cal+((ch[x][0])?s[ch[x][0]]:0);
      
<think>嗯,用户想了解线段树线段树的实现和应用场景。首先,我需要回忆一下什么是线段树线段树。根据之前的引用内容,比如引用[1]提到,这是一种二维线段树的实现方法,外层处理行,内层处理列。所以,这应该用于处理二维区间的问题,比如矩阵的查询和更新。 接下来,用户可能想知道具体的实现方式。记得引用[2]说过,二维线段树是先按行构建外层线段树,每个节点再按列构建内层线段树。这样分层结构应该能处理二维区域的查询。需要详细说明外层和内层如何协作,可能还要提到每个节点的结构,比如外层节点代表行区间,内层节点处理对应的列区间。 然后应用场景方面,用户可能想知道在哪些实际问题中会用到这种结构。比如矩阵区域求和、最值查询,或者动态二维范围统计,比如游戏中的地图更新。引用[4]提到树套树属于高级数据结构,可能应用在需要高效处理二维数据的场景,比如图像处理或地理信息系统。 另外,需要考虑这种数据结构的优缺点。引用[3]提到其他结构如K-D树或二进制分组可能有不同的适用场景,所以需要对比一下。比如线段树线段树的时间复杂度是O(logN * logM),适用于静态或动态二维数据,但可能空间消耗较大,因为每个外层节点都有内层线段树。 用户还可能想知道具体的代码结构,比如如何嵌实现。可能需要分步骤说明,先构建外层,再在每个节点构建内层,然后处理查询和更新操作。例如,更新某个点时,先在外层找到对应的行区间,再在内层更新列的位置。查询时则需要在多个外层和内层节点上聚合结果。 还要注意正确使用LaTeX格式,比如数学表达式要用$...$,独立公式用$$...$$。比如矩阵范围求和可以写成公式,时间复杂度也要用LaTeX表示。 可能用户没有说出来的深层需求是,如何在实际项目中应用这种结构,或者其他数据结构的选择比较。因此,在回答时应该涵盖实现步骤、应用例子以及优缺点比较,帮助用户全面理解。 最后,确保引用来源正确,引用[1]和[2]是关于二维线段树的,而引用[3]和[4]提到了其他树结构和应用场景,可能需要适当引用来说明对比和适用范围。</think>### 线段树线段树的实现应用场景 #### 一、实现方式 线段树线段树(二维线段树)是一种嵌结构,外层线段树管理行维度,每个外层节点再嵌一棵内层线段树管理列维度[^1][^2]。 **实现步骤**: 1. **外层线段树**:按行构建,每个节点表示行区间 $[L, R]$ 2. **内层线段树**:在每个外层节点中按列构建,处理对应行区间内的列区间查询 3. **数据存储**:外层节点的每个叶子节点对应一行数据,其内层线段树存储该行的列数据 **示例代码框架**(伪代码): ```python class OuterNode: inner_tree = InnerSegmentTree() # 内层线段树 class TwoDimensionalSegmentTree: def build(self, rows): # 外层构建 for row in rows: outer_node = build_outer_tree(row) outer_node.inner_tree.build(row.columns) # 内层构建 def query(self, x1, x2, y1, y2): # 外层查询行区间 [x1, x2],内层查询列区间 [y1, y2] return outer_query(x1, x2).inner_query(y1, y2) def update(self, x, y, value): # 外层定位行x,内层更新列y outer_locate(x).inner_update(y, value) ``` #### 二、时间复杂度分析 - **单点更新**:$O(\log N \cdot \log M)$(外层树深度 $\log N$,内层树深度 $\log M$) - **区域查询**:$O(\log N \cdot \log M)$ - **空间复杂度**:$O(N \cdot M)$(最坏情况下) #### 三、应用场景 1. **动态矩阵区域操作** - 实时更新矩阵元素值 - 查询子矩阵的和/最大值,例如: $$ \sum_{i=a}^{b} \sum_{j=c}^{d} matrix[i][j] $$ 2. **地理信息系统** - 动态统计矩形区域内的点数量(如地图热点分析) 3. **图像处理** - 对图像局部区域进行像素值统计或滤波操作[^2] #### 四、其他结构的对比 | 结构类型 | 适用场景 | 时间复杂度 | 空间复杂度 | |-----------------|--------------------------|------------------|-------------| | 线段树线段树 | 动态二维区间查询/更新 | $O(\log^2 n)$ | $O(n^2)$ | | K-D Tree | 静态高维近邻搜索 | $O(n^{1-1/d})$ | $O(n)$ | | 二维前缀和 | 静态矩阵区域求和 | $O(1)$查询 | $O(n^2)$ | #### 五、优化方向 1. **惰性标记扩展**:在内层线段树中引入惰性传播,支持区间批量更新 2. **空间压缩**:对稀疏矩阵使用动态开点技术[^3] 3. **混合结构**:对行使用线段树,对列使用树状数组以降低常数因子[^4]
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