Двумерное дерево отрезков с прибавлением и суммой на прямоугольнике

Revision ru26, by Renedyn, 2021-09-28 10:55:50

Для понимания этой статьи необходимо знать базовое ДО и желательно понимать, как работает обычное 2D ДО.

Решим следующую задачу:

Дана таблица $$$n \cdot m$$$, поступают 2 вида запросов:

1) Прибавить $$$x$$$ на прямоугольнике $$$[l1, r1], [l2, r2]$$$.

2) Посчитать сумму на прямоугольнике $$$[l1, r1], [l2, r2]$$$.

Почему нельзя использовать пуши? Для массовых операций с пушами должно быть выполнено свойство, что отложенная операция может складываться, но в случае 2D ДО мы должны складывать не числа, а отрезки, и их объединять уже не получится. Но помимо пушей есть другой тип массовых операций.

Сперва научимся делать прибавление на отрезке и сумму на отрезке без пушей в одномерном ДО.

В каждой вершине будем хранить $$$sum[v]$$$ и $$$add[v]$$$ — сумму на отрезке и сколько мы прибавим каждому элементу на отрезке. Рассмотрим запрос прибавления: для всех вершин, посещенных нашей функцией (на картинке желтые и зелёные), мы корректно пересчитаем значение в вершине, для суммы это $$$sum[v] += (min(r, rx)-max(l, lx)) \cdot x$$$, но сумма в вершинах ниже останется старой (красные). Чтобы это учесть, в тех вершинах, в которых остановилась функция (зелёные) сделаем $$$add[v] += x$$$.

Номер корня равен 0, реализация на полуинтервалах

void upd(int l, int r, int lx, int rx, int v, int x) {
    if (l >= rx || r <= lx) return;
    sum[v] += (min(r, rx)-max(l, lx)) * x;

    if (l >= lx && r <= rx) {
        add[v] += x;
        return;
    }
    int m = (l + r) / 2;
    upd(l, m, lx, rx, v+1, x);
    upd(m, r, lx, rx, v+(m-l)*2, x);
}

Теперь запрос суммы. Чтобы узнать актуальную сумму в вершине, нужно взять сумму $$$add[p]$$$ по всем предкам, умноженную на длину отрезка, и $$$sum[v]$$$. Чтобы лучше понять, почему это так, попробуйте посчитать сумму для красной вершины на картинке. Функция запроса будет такой же, как и в обычном ДО, только нужно поддерживать сумму на пути от корня до вершины.

В реализации можно даже не поддерживать сумму на пути, а просто когда мы спускаемся добавлять к ответу $$$add[v] \cdot (min(r, rx)-max(l, lx))$$$, это равносильно тому, что описано выше. Позже именно такой способ будет использоваться для больших размерностей.

int ask(int l, int r, int lx, int rx, int v) {
    if (l >= rx || r <= lx) return 0;
    if (l >= lx && r <= rx) {
        return sum[v];
    }
    int m = (l + r) / 2;
    return ask(l, m, lx, rx, v+1) + ask(m, r, lx, rx, v+(m-l)*2) + (min(r, rx)-max(l, lx)) * add[v];
}

Теперь этот же способ можно использовать для двумерного ДО.

Сделаем ДО по первой координате. В вершине, отвечающей за отрезок $$$[x1,x2]$$$ будет массив, отвечающий за прямоугольник $$$[x1, x2], [0, m-1]$$$, где j-тый элемент равен $$$\displaystyle\sum_{i = x1...x2} mas[i][j]$$$, в частности, в листах ДО будут просто строки таблицы, а в корне будет массив сумм столбцов (посмотрите на рисунок для лучшего понимания). На этих массивах в каждой вершине делаем ДО $$$sum[v]$$$ и изначально заполненный нулями $$$add[v]$$$.

Sorry for my bad Paint

Выглядеть запрос прибавления будет так же, как и в одномерном случае: корректно пересчитываем $$$sum[v]$$$ для всех посещенных вершин, для этого прибавим на отрезке $$$sum[v][l2...r2] += x \cdot (min(rx, r1) - max(lx, l1))$$$. В вершинах, где остановилась функция, запомним, что для всех вершин ниже текущей для второй координаты нужно прибавить $$$x$$$ на отрезке $$$[l2, r2]$$$.

void upd(int l1, int r1, int lx, int rx, int l2, int r2, int v, int x) {
    if (l1 >= rx || r1 <= lx) return;

    sum[v].upd(l2, r2, x * (min(rx, r1) - max(lx, l1)));
    if (l1 >= lx && r1 <= rx) {
        add[v].upd(l2, r2, x);
        return;
    }
    int med = (l1 + r1) / 2;
    upd(l1, med, lx, rx, l2, r2, v+1, x);
    upd(med, r1, lx, rx, l2, r2, v+(med-l1)*2, x);
}

Запрос суммы тоже не будет отличаться от одномерного случая: в конечных вершинах прибавляем к ответу $$$\sum sum[v][l2...r2]$$$, и спускаясь по ДО прибавляем к ответу $$$\sum add[v][l2...r2] \cdot (min(rx, r1) - max(lx, l1))$$$.

int ask(int l1, int r1, int lx, int rx, int l2, int r2, int v) {
    if (l1 >= rx || r1 <= lx) return 0;
    if (l1 >= lx && r1 <= rx) {
        return sum[v].ask(l2, r2);
    }
    int med = (l1 + r1) / 2;
    return ask(l1, med, lx, rx, l2, r2, v+1) + ask(med, r1, lx, rx, l2, r2, v+(med-l1)*2)
           + add[v].ask(l2, r2) * (min(rx, r1) - max(lx, l1));
}

Можно заметить, что код практически не отличается от одномерного случая, на самом деле можно обобщить этот способ для k-мерного ДО, так как для этого нужно будет иметь k-1-мерное ДО. Однако на каждом слое создаётся 2 массива размера 2n, итого памяти будет $$$O(4^k \cdot n)$$$ и один запрос $$$O(\log^k n)$$$.

Что делать, если в задаче координаты до $$$10^9$$$? Разумеется можно сделать оба ДО неявными, но в таком случае потребление памяти станет неприлично большим, так что лучше сжать по первой координате, а по второй сделать неявное ДО, или же можно хитро сжать координаты отдельно для значений на отрезках каждой вершины, тогда память будет $$$O(n \cdot \log n)$$$.

Насколько в целом эта техника применима? Например таким ДО можно было сдать в лоб задачу A3 недавно прошедшего отбора tinkoff generation, но в целом техника довольно специфическая, хотя пару раз была полезна и в одномерном ДО неплохо ускоряет "сумма на отрезке и прибавить на отрезке"(у меня ~2 раза быстрее способа с отложенными операциями).

Вот полный код 2D ДО: https://pastebin.com/aWesKi0a

Задачи: https://codeforces.com/contest/341/problem/D

Tags структуры данных, дерево отрезков

History

 
 
 
 
Revisions
 
 
  Rev. Lang. By When Δ Comment
ru26 Russian Renedyn 2021-09-28 10:55:50 165
ru25 Russian Renedyn 2021-09-19 13:43:08 52 Мелкая правка: 'aGhizX\n\n\n' -> 'aGhizX\n\nЗадачи: https://codeforces.com/contest/341/problem/D\n'
ru24 Russian Renedyn 2021-09-18 22:41:16 1 Мелкая правка: 'не получиться. Но пом' -> 'не получится. Но пом'
ru23 Russian Renedyn 2021-09-16 23:35:10 0 (опубликовано)
ru22 Russian Renedyn 2021-09-16 23:34:42 6 Мелкая правка: 'ет $O(8^k * n)$ и оди' -> 'ет $O(8^k \cdot n)$ и оди' (сохранено в черновиках)
ru21 Russian Renedyn 2021-09-16 21:14:15 1 (опубликовано)
ru20 Russian Renedyn 2021-09-16 21:13:45 38
ru19 Russian Renedyn 2021-09-16 21:10:55 150 Мелкая правка: 'ять будет линейная. \n\nНаск' -> 'ять будет $O(n \cdot log n)$. \n\nНаск'
ru18 Russian Renedyn 2021-09-16 17:26:20 258 Мелкая правка: '87-ru.pdf]А3 недавно п' -> '87-ru.pdf](А3) недавно п'
ru17 Russian Renedyn 2021-09-16 14:31:49 535
ru16 Russian Renedyn 2021-09-16 10:54:11 121 Мелкая правка: '(8^k * n)$. \n\n' -> '(8^k * n)$ и один запрос $O(log^k n)$. \n\n'
ru15 Russian Renedyn 2021-09-15 11:55:10 201
ru14 Russian Renedyn 2021-09-15 11:22:03 2592 Мелкая правка: ' отрезке $[l2, r2]$ $x \cdot (m' -> ' отрезке $sum[v][l2...r2] += x \cdot (m'
ru13 Russian Renedyn 2021-09-14 13:10:49 4 Мелкая правка: 'Paint_\n\n' -> 'Paint_\n\n\n\n'
ru12 Russian Renedyn 2021-09-14 12:57:01 292 Мелкая правка: 'mas[j][i]$\n\n' -> 'mas[j][i]$ \cos (2\theta) = \cos^2 \theta - \sin^2 \theta\n\n'
ru11 Russian Renedyn 2021-09-14 11:18:20 42
ru10 Russian Renedyn 2021-09-14 10:54:15 781 Мелкая правка: 'это учесть в тех вер' -> 'это учесть, в тех вер'
ru9 Russian Renedyn 2021-09-14 09:23:05 95
ru8 Russian Renedyn 2021-09-14 08:59:04 4 Мелкая правка: ' значение d вершинt, для сумм' -> ' значение в вершине, для сумм'
ru7 Russian Renedyn 2021-09-14 08:50:16 1137 Мелкая правка: ' (красные), чтобы это исправить в тех в' -> ' (красные). Чтобы это учесть в тех в'
ru6 Russian Renedyn 2021-09-13 21:48:03 479 Мелкая правка: '075.png)\n\n\n\nСд' -> '075.png)\nТеперь запрос суммы. \n\n\n\nСд'
ru5 Russian Renedyn 2021-09-13 20:05:04 328 Мелкая правка: 'м $add[v] += x$. \n![ ' -> 'м $add[v] <+=> x$. \n![ '
ru4 Russian Renedyn 2021-09-13 19:10:20 68
ru3 Russian Renedyn 2021-09-13 19:08:40 337 Мелкая правка: 'а таблица n * m, поступаю' -> 'а таблица $n \cdo m$, поступаю'
ru2 Russian Renedyn 2021-09-13 17:16:04 530 Мелкая правка: 'Прибавить X' -> 'Прибавить _X_'
ru1 Russian Renedyn 2021-09-13 16:17:16 149 Первая редакция (сохранено в черновиках)