304. 二维区域和检索 - 矩阵不可变

本文介绍了一种高效计算二维矩阵中任意矩形区域元素之和的方法。通过预处理生成积分图,实现快速查找指定矩形区域的元素总和,适用于矩阵不变且需频繁查询的情况。

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Given a 2D matrix matrix, find the sum of the elements inside the rectangle defined by its upper left corner (row1, col1) and lower right corner (row2, col2).

Range Sum Query 2D
The above rectangle (with the red border) is defined by (row1, col1) = (2, 1) and (row2, col2) = (4, 3), which contains sum = 8.

Example:

Given matrix = [
  [3, 0, 1, 4, 2],
  [5, 6, 3, 2, 1],
  [1, 2, 0, 1, 5],
  [4, 1, 0, 1, 7],
  [1, 0, 3, 0, 5]
]

sumRegion(2, 1, 4, 3) -> 8
sumRegion(1, 1, 2, 2) -> 11
sumRegion(1, 2, 2, 4) -> 12

 

Note:

  1. You may assume that the matrix does not change.
  2. There are many calls to sumRegion function.
  3. You may assume that row1 ≤ row2 and col1 ≤ col2.

Review:

以前做过类似的矩阵面积的题,init时先将二维矩阵转换为积分图

构造一个2D数组 sums[row+1][col+1]

 

注意:我们添加了额外的空白行sums[0][col+1]={0}和空白列sums[row+1][0]={0}来删除边缘情况检查),因此,我们可以有以下定义

 

sums[i+1][j+1]表示区域的从总和matrix[0][0]matrix[i][j]

 

要计算总和,想法如下

 

+-----+-+-------+     +--------+-----+     +-----+---------+     +-----+--------+
|     | |       |     |        |     |     |     |         |     |     |        |
|     | |       |     |        |     |     |     |         |     |     |        |
+-----+-+       |     +--------+     |     |     |         |     +-----+        |
|     | |       |  =  |              |  +  |     |         |  -  |              |
+-----+-+       |     |              |     +-----+         |     |              |
|               |     |              |     |               |     |              |
|               |     |              |     |               |     |              |
+---------------+     +--------------+     +---------------+     +--------------+

   sums[i][j]      =    sums[i-1][j]    +     sums[i][j-1]    -   sums[i-1][j-1]   +  

                        matrix[i-1][j-1]

 

So, we use the same idea to find the specific area's sum.

 

+---------------+   +--------------+   +---------------+   +--------------+   +--------------+
|               |   |         |    |   |   |           |   |         |    |   |   |          |
|   (r1,c1)     |   |         |    |   |   |           |   |         |    |   |   |          |
|   +------+    |   |         |    |   |   |           |   +---------+    |   +---+          |
|   |      |    | = |         |    | - |   |           | - |      (r1,c2) | + |   (r1,c1)    |
|   |      |    |   |         |    |   |   |           |   |              |   |              |
|   +------+    |   +---------+    |   +---+           |   |              |   |              |
|        (r2,c2)|   |       (r2,c2)|   |   (r2,c1)     |   |              |   |              |
+---------------+   +--------------+   +---------------+   +--------------+   +--------------+

 


Code:

python:

class NumMatrix:

    def __init__(self, matrix):
        self.mtx = matrix
        if self.mtx:
            dp = [[]]
            for i in range(1, len(matrix)+1):
                for j in range(1, len(matrix[0])+1):
                    dp[i][j] = matrix[i - 1][j - 1] + dp[i - 1][j] + dp[i][j - 1] - dp[i - 1][j - 1]
            self._dp = dp

    def sumRegion(self, row1: int, col1: int, row2: int, col2: int) -> int:
        res = 0
        if self.mtx:
            res = self._dp[row2 + 1][col2 + 1] - self._dp[row2 + 1][col1] - self._dp[row1][col2 + 1] + self._dp[row1][
                col1]
        return res

java:

class NumMatrix {

    static int[][] mtx;
    static int[][] dp;
    public NumMatrix(final int[][] matrix) {
        mtx = matrix;
        if (mtx.length!=0){
            dp = new int[mtx.length+1][matrix[0].length+1];
            for (int i = 1; i < dp.length; i++) {
                for (int j = 1; j < dp[0].length; j++) {
                    dp[i][j] = matrix[i - 1][j - 1] + dp[i - 1][j] + dp[i][j - 1] - dp[i - 1][j - 1];
                }
            }
        }
    }

    public int sumRegion(int row1, int col1, int row2, int col2) {
        int res = 0;
        if (mtx.length!=0)
            res = dp[row2+1][col2+1] - dp[row2+1][col1] - dp[row1][col2+1] + dp[row1][col1];
        return res;
    }
}

 

### 关于二维前缀的示例题目及其解法 #### 示例题目:LeetCode 304. 二维区域检索 - 矩阵不可变 此题要求实现一个数据结构 `NumMatrix`,用于快速计算给定矩形区域内元素的总。该类应支持初始化时传入整数矩阵 `matrix` 并提供方法 `sumRegion(row1, col1, row2, col2)` 来返回左上角位于 `(row1,col1)` 右下角位于 `(row2,col2)` 的子矩阵内的所有元素之。 为了高效解决这个问题,可以预先计算并保存每个位置到原点(0,0)之间所有元素构成的矩形区域内的累积作为辅助工具,在后续调用过程中利用这些已知的结果加速运算过程[^1]。 ```python class NumMatrix: def __init__(self, matrix: List[List[int]]): if not matrix or not matrix[0]: self.sums = None return m, n = len(matrix), len(matrix[0]) self.sums = [[0]*(n+1) for _ in range(m+1)] for i in range(1,m+1): for j in range(1,n+1): self.sums[i][j]=self.sums[i-1][j]+self.sums[i][j-1]-self.sums[i-1][j-1]+matrix[i-1][j-1] def sumRegion(self, row1: int, col1: int, row2: int, col2: int) -> int: if self.sums is None: return 0 A=self.sums[row2+1][col2+1] B=self.sums[row1][col2+1] C=self.sums[row2+1][col1] D=self.sums[row1][col1] return A-B-C+D # Your NumMatrix object will be instantiated and called as such: # obj = NumMatrix(matrix) # param_1 = obj.sumRegion(row1,col1,row2,col2) ``` 上述代码实现了基于二维前缀的数据结构,通过提前构建好累加表使得每次查询操作可以在常量时间内完成。具体来说就是先遍历整个输入矩阵一次建立一个新的二维数组用来记录从坐标 (0,0) 到当前坐标的矩形范围内所有数值相加之;之后每当需要获取任意指定范围内的值的时候只需要做简单的四则运算即可得出结果[^4]。 #### 示例题目:LeetCode 661. 图片平滑器 本题旨在对图像中的每一个像素进行处理得到新的颜色强度值,新值等于它自己以及周围八个方向上的邻居们的平均灰度值(如果某个方向不存在有效邻接点,则忽略)。这里同样可以通过构造二维前缀的方式来简化边界情况下的判断逻辑,并提高整体性能表现。 ```cpp vector<vector<int>> imageSmoother(vector<vector<int>>& M) { vector<vector<int>> res(M.size(), vector<int>(M[0].size())); // 构建二维前缀 vector<vector<int>> prefixSum(M.size() + 1, vector<int>(M[0].size() + 1)); for(int i=1; i<=M.size(); ++i){ for(int j=1; j<=M[0].size(); ++j){ prefixSum[i][j] = M[i-1][j-1] + prefixSum[i-1][j] + prefixSum[i][j-1] - prefixSum[i-1][j-1]; } } auto getSum = [&](int r1,int c1,int r2,int c2)->int{ return prefixSum[r2+1][c2+1] - prefixSum[r1][c2+1] - prefixSum[r2+1][c1] + prefixSum[r1][c1]; }; for(size_t i=0;i<M.size();++i){ for(size_t j=0;j<M[0].size();++j){ int cnt = 0; int sr = max((int)i-1,0); int sc = max((int)j-1,0); int er = min(i+1,(int)(M.size()-1)); int ec = min(j+1,(int)(M[0].size()-1)); res[i][j]=(getSum(sr,sc,er,ec)/(pow(er-sr+1,2))); } } return res; } ``` 这段 C++ 实现展示了如何应用二维前缀技术来优化图片平滑化的过程。首先创建了一个额外的空间存储原始图象经过转换后的前缀形式;接着定义了帮助函数 `getSum()` 方便提取特定区间内部的所有元素合计;最后按照规则更新目标输出矩阵中对应位置的新亮度值。
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