线段树(区间树)

本文介绍了一种高效的数据结构——线段树,用于解决连续区间的动态查询问题。通过实例演示了如何构造线段树并实现区间求和及更新操作。

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一、简介
线段树,类似区间树,它在各个节点保存一条线段(数组中的一段子数组),主要用于高效解决连续区间的动态查询问题,由于二叉结构的特性,它基本能保持每个操作的复杂度为O(logn)。
线段树的每个节点表示一个区间,子节点则分别表示父节点的左右半区间,例如父亲的区间是[a,b],那么(c=(a+b)/2)左儿子的区间是[a,c],右儿子的区间是[c+1,b]。
二、举例
例1:给一个数组array[1,…,n],求出下标i,j之间的和
例2:给一个数组array[1,…,n],求出下标i,j之间最小值
nums = {1,3,5}
sumRange(0, 2) -> 9
update(1, 2)
sumRange(0, 2) -> 8
这里写图片描述

public class NumArray {
  class TreeNode
{
    int start, end;
    int val;
    TreeNode left,right;
    public TreeNode(int s,int e,int v) {
        // TODO Auto-generated constructor stub
        this.start = s;
        this.end = e;
        this.val = v;
    }
}
    TreeNode segmentTree;
        int[] nums;
        public NumArray(int[] nums) {
            this.nums = nums;
            int sum = 0;
            for(int num : nums){sum += num;}
            segmentTree = treeConstruct(0, nums.length-1,sum);
        }

        private TreeNode treeConstruct(int s, int e, int sum) {
            // TODO Auto-generated method stub
            if(e - s < 1){return null;}
            //if(e - s == 1)return new TreeNode(s, e, sum);
            TreeNode tree = new TreeNode(s, e, sum);
            int mid = (s + e) >> 1;
            int val = 0;
            for(int i = s;i<=mid;i++){val += nums[i];}
            tree.left = treeConstruct(s, mid, val);
            tree.right = treeConstruct(mid+1, e, sum - val);
            return tree;
        }

        public void update(int i, int val) {
            helper(i, val, segmentTree);
            nums[i] = val;
        }
        void helper(int i, int val, TreeNode tree)
        {
            if(tree == null) return;
            tree.val = tree.val - nums[i] + val;
            int mid = (tree.start + tree.end) >> 1;
            if(i <= mid)
            {
                helper(i, val, tree.left);
            }else
                helper(i, val, tree.right);

        }
        public int sumRange(int i, int j) {
           return getSum(i, j, segmentTree);

        }
        int getSum(int i,int j,TreeNode tree)
        {
            if(i > j) return 0 ;
             if(i == j) return nums[i];
             if(i == tree.start && j == tree.end) return tree.val;
             int mid = (tree.start+tree.end)>>1;
             if(i <= mid && j >= mid)
             {
                 return getSum(i, mid, tree.left) + getSum(mid+1, j, tree.right);
             }
             if(i <= mid && j <= mid)
             {
                 return getSum(i, j, tree.left);
             }

             if(i >= mid && j >=mid)
             {
                 return getSum(i, j, tree.right);
             }
             return 0;

        }
}


// Your NumArray object will be instantiated and called as such:
// NumArray numArray = new NumArray(nums);
// numArray.sumRange(0, 1);
// numArray.update(1, 10);
// numArray.sumRange(1, 2);
### 线段树区间修改的实现方法 线段树是一种高效的数据结构,用于处理动态区间查询和修改操作。对于区间修改的操作,通常会引入懒惰传播(Lazy Propagation)机制来优化性能。 #### 基本概念 在支持区间修改的情况下,线段树通过维护一个额外的`lazy[]`数组记录尚未传递给子节点的延迟更新信息。这种设计可以减少不必要的递归调用次数,从而提高效率[^1]。 #### 关键函数说明 以下是实现线段树区间修改的核心部分: 1. **构建线段树** 构建过程与普通的线段树相同,初始化时需确保`lazy[]`数组全部置零。 2. **Push Down 函数** 当访问某个节点并发现该节点存在未解决的延迟标记时,需要将其影响向下传递至子节点,并清除当前节点上的标记。 ```cpp void pushDown(int k, int l, int r) { if (lazy[k]) { // 如果有延迟标记 int mid = (l + r) / 2; add(k * 2, l, mid, lazy[k]); // 更新左孩子 add(k * 2 + 1, mid + 1, r, lazy[k]); // 更新右孩子 lazy[k] = 0; // 清除当前节点的延迟标记 } } ``` 3. **Add 函数** `add()`负责执行具体的区间修改逻辑。如果目标区间完全覆盖当前节点,则直接应用修改;否则继续分解到子节点上。 ```cpp void add(int k, int l, int r, int ql, int qr, int val) { if (ql <= l && r <= qr) { // 完全覆盖的情况 s[k] += (r - l + 1) * val; // 修改当前区间的总和 lazy[k] += val; // 设置延迟标记 return; } int mid = (l + r) / 2; pushDown(k, l, r); // 下推延迟标记 if (ql <= mid) add(k * 2, l, mid, ql, qr, val); if (qr > mid) add(k * 2 + 1, mid + 1, r, ql, qr, val); s[k] = s[k * 2] + s[k * 2 + 1]; // 合并左右孩子的结果 } ``` 4. **Query 函数** 查询过程中也需要注意是否存在延迟标记,若有则先进行下推操作再继续查找。 ```cpp long long query(int k, int l, int r, int ql, int qr) { if (ql <= l && r <= qr) { // 完全覆盖的情况 return s[k]; } int mid = (l + r) / 2; pushDown(k, l, r); // 下推延迟标记 long long res = 0; if (ql <= mid) res += query(k * 2, l, mid, ql, qr); if (qr > mid) res += query(k * 2 + 1, mid + 1, r, ql, qr); return res; } ``` 以上即为完整的线段树区间修改实现方案[^2][^3]。 ### 时间复杂度分析 每次修改或查询操作最多涉及从根节点到叶子节点的一条路径上的所有节点,因此时间复杂度均为\( O(\log N) \)[^4]。
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