主席树/函数式线段树/可持久化线段树

【前言】

主席树、函数式线段树、可持久化线段树
这三者其实是一个东西……
它的作用十分显然,就是访问线段树的历史版本……

【实现】

假设我们要对线段树进行Q次插入操作,如何(随机)访问第i次操作后的线段树?

我们当然可以对每个状态都造一棵完整的线段树,但是显然会MLE啊,怎么办?
观察可以发现,线段树的插入操作每次只会更新logN个节点,其他节点都不会变
于是我们可以利用前一次操作的状态,避免重复构造不变节点。
如何实现对不变节点的利用呢?看下图:
这里写图片描述
新的节点“依附”在旧的线段树上,并与旧的线段树共用一些子树
(看这图需要有一点空间想象力)
另外,主席树有一个很有用的性质就是每棵线段树的形态都是一样的,所以可以对每个对应节点相加减(这样就可以容斥啦)

【应用】

可持久化线段树有什么用呢?一般用于基于序列的名次操作(离线)。
说个最简单的,给定一个序列,每次询问区间[L,R]中第k大的数。
首先考虑线段树表示的是什么,我们定义线段[L,R]表示所有满足L<=a[i]<=R的个数(注意不要和上面的区间[L,R]搞混)。
那么思考如下过程:从1至n,一个一个对线段树插入a[i]。
这样就可以构造出主席树。其中第i棵线段树(第i个历史版本)rot[i]的节点[L,R]的权值表示[1,i]这个子区间的所有满足L<=a[i]<=R的个数。
询问与BST的Rank操作类似,考虑在rot[i]中找第K大的数,如果左子树的权值大于等于K,说明第k大的

可持久化线段树允许保留数据结构的多个历史版本,在实现代码修改以达成可持久化线段树时,要把握几个核心要点。 首先,其基本思路是有多棵线段树,相邻两棵线段树差别小,所以每棵线段树只需存储与前一棵的不同之处,使用时再修改填补并生成完整线段树,而且任意两棵线段树能“相减”得到包含题目解的新线段树[^4]。 在代码实现方面,若原本代码是普通线段树实现,要进行如下修改: 1. **节点复制**:每次修改操作时,不能直接修改原节点,而是要复制受影响的节点,构建新的节点路径。比如修改某个区间时,沿着从根节点到该区间的路径,复制经过的每个节点。 2. **版本管理**:维护不同版本线段树,每个版本指向对应线段树的根节点。可以用一个数组来存储各个版本的根节点指针。 以下是一个简单的 C# 示例代码框架,用于实现可持久化线段树的单点修改: ```csharp // 定义线段树节点类 class Node { public int left, right; // 节点表示的区间左右端点 public int sum; // 区间和 public Node leftChild, rightChild; // 左右子节点 public Node(int l, int r) { left = l; right = r; sum = 0; leftChild = rightChild = null; } } class PersistentSegmentTree { private Node[] roots; // 存储不同版本的根节点 private int versionCount; public PersistentSegmentTree(int[] arr) { roots = new Node[1000]; // 假设最多支持 1000 个版本 versionCount = 0; roots[versionCount] = BuildTree(arr, 0, arr.Length - 1); } // 构建初始线段树 private Node BuildTree(int[] arr, int left, int right) { Node node = new Node(left, right); if (left == right) { node.sum = arr[left]; } else { int mid = (left + right) / 2; node.leftChild = BuildTree(arr, left, mid); node.rightChild = BuildTree(arr, mid + 1, right); node.sum = node.leftChild.sum + node.rightChild.sum; } return node; } // 复制节点 private Node CloneNode(Node original) { Node clone = new Node(original.left, original.right); clone.sum = original.sum; clone.leftChild = original.leftChild; clone.rightChild = original.rightChild; return clone; } // 单点修改 public void Update(int version, int index, int value) { versionCount++; roots[versionCount] = UpdateNode(roots[version], index, value); } private Node UpdateNode(Node node, int index, int value) { Node newNode = CloneNode(node); if (node.left == node.right) { newNode.sum = value; } else { int mid = (node.left + node.right) / 2; if (index <= mid) { newNode.leftChild = UpdateNode(node.leftChild, index, value); } else { newNode.rightChild = UpdateNode(node.rightChild, index, value); } newNode.sum = newNode.leftChild.sum + newNode.rightChild.sum; } return newNode; } // 查询区间和 public int Query(int version, int left, int right) { return QueryNode(roots[version], left, right); } private int QueryNode(Node node, int left, int right) { if (left > node.right || right < node.left) { return 0; } if (left <= node.left && right >= node.right) { return node.sum; } return QueryNode(node.leftChild, left, right) + QueryNode(node.rightChild, left, right); } } ``` 使用示例: ```csharp class Program { static void Main() { int[] arr = { 1, 2, 3, 4, 5 }; PersistentSegmentTree pst = new PersistentSegmentTree(arr); // 初始版本查询 int sum1 = pst.Query(0, 0, 2); Console.WriteLine("初始版本 [0, 2] 的和: " + sum1); // 修改节点 pst.Update(0, 1, 10); // 新版本查询 int sum2 = pst.Query(1, 0, 2); Console.WriteLine("新版本 [0, 2] 的和: " + sum2); } } ``` 在这个示例中,`PersistentSegmentTree` 类用于管理可持久化线段树,`roots` 数组存储不同版本的根节点。`BuildTree` 方法构建初始线段树,`Update` 方法进行单点修改并生成新的版本,`Query` 方法用于查询指定版本的区间和。 同时,可持久化线段树的题目一般容易卡空间,在记忆模板时建议选择传参的模板,避免因开数组单独记录每个区间的左右端点而出现内存超限(MLE)的情况[^2]。
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