cdq分治·三维偏序问题

转载自FlashHu大佬的博客CDQ分治总结(CDQ,树状数组,归并排序),在讲述部分有部分删改,用了自己的代码

CDQ分治的思想

CDQ分治是基于时间的离线分治算法。这一类分治有一个重要的思想——用一个子问题来计算对另一个子问题的贡献。

有了这种思想,就可以在一定的复杂度范围内地解决偏序问题。从一位偏序(就是按下表排列)的$Theta(N)$开始,每增加一维增加$Theta(log N)$倍,可以通过不断叠加cdq分治来增加维度,但当达到4维以上时效率就和暴力差不多了。

 

例题1

P3810 【模板】三维偏序(陌上花开)

即给出若干元素,每个元素有三个属性值(a,b,c),询问对于每个元素(i),满足(a_jleq a_i,b_jleq b_i,c_jleq c_i)(j)的个数

不用着急,先从简单的问题开始

试想一下二位偏序也就是(a_jleq a_i,b_jleq b_i)怎么做

先按(a)为第一关键字,(b)为第二关键字排序,那么我们就保证了第一维(a)的有序。

于是,对于每一个(i),只可能(1)(i-1)的元素会对它有贡献,那么直接查(1)(i-1)的元素中满足(b_jleq b_i)的元素个数。

具体实现?动态维护(b)的树状数组,从前到后扫一遍好啦,(O(nlog n))

那么三维偏序呢?我们只有在保证前两位都满足的情况下才能计算答案了。

仍然按(a)为第一关键字,(b)为第二关键字,(c)为第三关键字排序,第一维保证左边小于等于右边了。

为了保证第二维也是左边小于等于右边,我们还需要排序。

想到归并排序是一个分治的过程,我们可不可以在归并的过程中,统计出在子问题中产生的对答案贡献呢?

现在我们有一个序列,我们把它递归分成两个子问题,子问题进行完归并排序,已经保证(b)有序。此时,两个子问题间有一个分界线,原来第一维左边小于等于右边,所以现在分界线左边的任意一个的(a)当然还是都小于右边的任意一个。那不等于说,只有分界线左边的能对右边的产生贡献?

于是,问题降到了二维。我们就可以排序了,归并排序(左边的指针为(j),右边的为(i))并维护(c)的树状数组,如果当前(b_jleq b_i),说明(j)可以对后面加入的满足(c_jleq c_i)(i)产生贡献了,把(c_j)加入树状数组;否则,因为后面加入的(j)都不会对(i)产生贡献了,所以就要统计之前被给的所有贡献了,查询树状数组(c_i)的前缀和。

这是在分治中统计的子问题的答案,跟总答案有怎样的关系呢?容易发现,每个子问题统计的只有跨越分界线的贡献,反过来看,每一个能产生贡献的(i,j),有且仅有一个子问题,两者既同时被包含,又在分界线的异侧。那么所有子问题的贡献加起来就是总答案。

算法的大致思路就是这样啦。至于复杂度,(T(n)=O(nlog k)+T(frac 2 n)=O(nlog nlog k))

当然还有不少细节问题。

最大的问题就在于,可能有完全相同的元素。这样的话,本来它们相互之间都有贡献,可是cdq的过程中只有左边的能贡献右边的。这可怎么办呢?

我们把序列去重,这样现在就没有相同的了。给现在的每个元素一个权值(v)等于出现的次数。中间的具体实现过程也稍有变化,在树状数组中插入的值是(v)而不是(1)了,最后统计答案时,也要算上相同元素内部的贡献,ans+=v-1

写法上,为了防止sort和归并排序中空间移动太频繁,没有对每个元素封struct,这样的话就要改一下cmp函数

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long LL;
const int INF=1e9+7,MAXN=1e5+10,MAXK=2e5+10;
struct node{
    int x,y,z,ans,w;
}A[MAXN],tmp[MAXN];
inline bool cmpx(node x,node y){
    return x.x<y.x||(x.x==y.x&&(x.y<y.y||(x.y==y.y&&x.z<y.z)));
}
inline bool cmpy(node x,node y){
    return x.y<y.y||(x.y==y.y&&(x.x<y.x||(x.x==y.x&&x.z<y.z)));
}
int N,K,sum[MAXK];
inline int lowbit(int x){
    return x&-x;
}
inline void upd(int x,int c){
    while(x<=K){
        sum[x]+=c;
        x+=lowbit(x);
    }
}
inline int qry(int x){
    int ret=0;
    while(x){
        ret+=sum[x];
        x-=lowbit(x);
    }
    return ret;
}
void cdq(int l,int r){
    if(l==r)
        return;
    int mid=(l+r)>>1;
    cdq(l,mid);
    cdq(mid+1,r);
    sort(A+l,A+mid+1,cmpy);
    sort(A+mid+1,A+r+1,cmpy);
    int i=mid+1,j=l;
    for(;i<=r;i++){
        while(A[j].y<=A[i].y&&j<=mid){
            upd(A[j].z,A[j].w);
            j++;
        }
        A[i].ans+=qry(A[i].z);
    }
    for(i=l;i<j;i++)
        upd(A[i].z,-A[i].w);
}
int n,ans[MAXK];
int main(){
    scanf("%d%d",&n,&K);
    for(int i=1;i<=n;i++){
        scanf("%d%d%d",&tmp[i].x,&tmp[i].y,&tmp[i].z);
    }
    sort(tmp+1,tmp+n+1,cmpx);
    for(int i=1,c=1;i<=n;i++,c++)
        if((tmp[i].x^tmp[i+1].x)|(tmp[i].y^tmp[i+1].y)|(tmp[i].z^tmp[i+1].z)){
            A[++N]=tmp[i];
            A[N].w=c;
            c=0;
        }
    cdq(1,N);
    for(int i=1;i<=N;i++)
        ans[A[i].ans+A[i].w-1]+=A[i].w;
    for(int i=0;i<n;i++)
        printf("%d
",ans[i]);
    return 0;
}

 

例题二

洛谷P4169 [Violet]天使玩偶/SJY摆棋子

洛谷题目传送门

不会KDT,然而CDQ当然是有优势的。

第一眼就能发现每一个修改或查询都有三个属性,(x,y),还有时间戳。那么怎样把它转化为一般的三维偏序问题呢?

假如所有记忆的点都在查询的点的左下角,那么就会只有(x,y)和时间戳三个维度都小于查询点的记忆点可以产生贡献,这就是三维偏序了。

贡献是什么呢?设有若干(j)(i)产生了贡献,那么直接去绝对值,答案就是(min{x_i-x_j+y_i-y_j}),也就是(x_i+y_i-max{x_j+y_j}),这个还是可以用树状数组,只不过改成维护前缀最大值。第一维时间戳,输入已经排好序了;第二位(x)归并;第三位(y)树状数组统计答案。

然而假设并不成立。但是我们可以发现,每个能产生贡献的点只可能会在查询点的四个方向(左下,左上,右下,右上),那么对所有点还要进行(3)遍坐标翻转(新坐标等于值域减去原坐标),做(4)遍CDQ,就可以统计到每个方向的最优答案,最后再取(min)即可。

(n,m=300000),值域(1000000),一看这(O((n+m)log(n+m)log k))好大,还要跑(4)遍,真的不会T么?所以还是要优化一些细节。

首先,蒟蒻仍然沿用三维偏序模板的做法,没有对元素封struct以减少空间交换,这样在做完坐标翻转后也能更快还原,直接for一遍初始化。然而也会带来数组的频繁调用,蒟蒻也在怀疑这种优化的可行性,还望Dalao指教。

接着,我们发现左边有(n)个元素都确定了是记忆点。也就是说,我们不必对(n+m)个点都跑CDQ了,只对后面(m)个点跑,前面的(n)个点直接预处理按(x)第一关键字、(y)第二关键字sort,这样复杂度就降到了(O(nlog n+mlog mlog k+nlog k))了。然而做完坐标翻转后也别忘了处理一下。如果这一次翻转的是(y),那么(x)不会受到影响;如果翻转的是(x),那么也直接翻转数组就好啦!

至于fread什么的用上也好。加上这一堆优化,代码就有90行了。

然后一交上去就1A了!?平时习惯了满屏殷红的WA,蒟蒻也不得不感叹,比起不少数据结构,CDQ真是思路板又好写还好调。

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#define RG register
#define I inline void
#define R RG int
#define gc          if(++pp==pe)fread (pp=buf,1,SZ,stdin)
#define pc(C) *pp=C;if(++pp==pe)fwrite(pp=buf,1,SZ,stdout)
const int N=3e5,D=1e6+2,SZ=1<<19,INF=20020307;
char buf[SZ],*pe=buf+SZ,*pp=pe-1;
int x[N],y[N],p[N],q[N],f[N],ans[N],e[D+1];
bool t[N];
struct NODE{
    int x,y;
    inline bool operator<(RG NODE b)const{
        return x<b.x||(x==b.x&&y<b.y);
    }
}a[N];//前n个点
inline int in(){
    gc;while(*pp<'-')gc;
    R x=*pp&15;gc;
    while(*pp>'-'){x*=10;x+=*pp&15;gc;}
    return x;
}
I out(R x){
    if(x>9)out(x/10);
    pc(x%10|'0');
}
I min(R&x,R y){if(x>y)x=y;}
I upd(R i,R v){for(;i<=D;i+=i&-i)if(e[i]<v)e[i]=v;}
I qry(R i,R&v){for(;i   ;i-=i&-i)if(v<e[i])v=e[i];}
I clr(R i)    {for(;i<=D;i+=i&-i)e[i]=0;}
void cdq(R*p,R m){//三维偏序Dalao们都会吧
    if(m==1)return;
    R n=m>>1,i,j,k;
    cdq(p,n);cdq(p+n,m-n);
    memcpy(q,p,m<<2);
    for(k=i=0,j=n;i<n&&j<m;++k)
        if(x[q[i]]<=x[q[j]]){
            if(!t[q[i]])upd(y[q[i]],x[q[i]]+y[q[i]]);
            p[k]=q[i++];
        }
        else{
            if(t[q[j]])qry(y[q[j]],f[q[j]]);
            p[k]=q[j++];
        }
    for(;j<m;++j)
        if(t[q[j]])qry(y[q[j]],f[q[j]]);
    memcpy(p+k,q+i,(n-i)<<2);//注意收尾和清空
    for(--i;~i;--i)clr(y[q[i]]);
}
int main(){
    R n=in(),m=in(),i,j,k;
    for(i=0;i<n;++i)
        a[i].x=in()+1,a[i].y=in()+1;
    std::sort(a,a+n);//n个点预排序
    for(i=0;i<m;++i){
        if((t[i]=in()-1))ans[i]=INF;//注意给极大值
        x[i]=in()+1;y[i]=in()+1;//BIT不能有0下标,所以改一下
    }
    for(k=1;k<=4;++k){
        for(i=0;i<m;++i)p[i]=i;//很快就可以初始化序列
        cdq(p,m);
        for(i=j=0;i<n&&j<m;){//外面统计还是和CDQ一样,只是不用归并了
            if(a[i].x<=x[p[j]])
                upd(a[i].y,a[i].x+a[i].y),++i;
            else{
                if(t[p[j]])qry(y[p[j]],f[p[j]]);
                ++j;
            }
        }
        for(;j<m;++j)
            if(t[p[j]])qry(y[p[j]],f[p[j]]);
        memset(e,0,sizeof(e));
        for(i=0;i<m;++i)
            if(t[i]&&f[i])min(ans[i],x[i]+y[i]-f[i]),f[i]=0;
        if(k==4)break;
        if(k&1){//第一次、第三次上下翻
            for(i=0;i<n;++i)a[i].y=D-a[i].y;
            for(i=0;i<m;++i)y[i]=D-y[i];
        }
        else{//第二次左右翻
            for(i=0;i<n;++i)a[i].x=D-a[i].x;
            for(i=0;i<m;++i)x[i]=D-x[i];
            for(i=0,j=n-1;i<j;++i,--j)std::swap(a[i],a[j]);//注意仍要保证x不降
        }
    }
    for(pp=buf,i=0;i<m;++i)
        if(t[i]){out(ans[i]);pc('
');}
    fwrite(buf,1,pp-buf,stdout);
    return 0;
}
原文地址:https://www.cnblogs.com/guoshaoyang/p/11233726.html