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平衡树

分类: IT文章 • 2024-04-22 10:52:16

$Treap$ $and$ $Splay$

　　我隐约记得之前说NOIP之前不再学超纲算法。但是我又开始学了。所以说我NOIP会不会凉。这真是个好问题。中考前在家无聊地报了NOI的网上同步赛，后来发现要全网公示成绩......所以赶紧学点东西骗骗分。

　　记得以前初赛曾经考过一个东西叫做二叉排序树，这个东西非常好啊，平均时间复杂度是$O(logN)$的(如果插入节点的顺序随机)。但是构造数据就会被卡，树就成了一条链，退化到了O(N)。随机一下就可以不被卡啦，但是有时候要求强制在线，就用到了神奇的平衡树。

　　$Treap$依靠的是随机，给每个节点随机的权值，要求根节点的权值大于两棵子树，依赖这样的随机化保证均摊复杂度比较低，树高不超过$logN$。$Treap$=$Tree$+$Heap$；

　　这是我第一次用指针,其实指针还是挺有意思的，就是一定要注意不要访问空指针，否则程序就炸掉啦！

　　$Splay$依靠的是信仰，复杂度似乎也是有保证的，但是比较难证。

　　

　　普通平衡树:https://www.lydsy.com/JudgeOnline/problem.php?id=3224

　　插入x数；

　　删除x数(若有多个相同的数，只删除一个)；

　　查询x数的排名(若有多个相同的数，输出最小的排名)；

　　查询排名为x的数；

　　求x的前驱(前驱定义为小于x，且最大的数)；

　　求x的后继(后继定义为大于x，且最小的数)；

　　这里讲一下旋转的问题:程序中的$rotate(n,d)$是指将$n$点的$d$儿子旋转上来作为新的$n$.以$d=1$为例子:

　　初始状态:

　　平衡树

1 node *k=n->ch[d];

 平衡树

1 n->ch[d]=k->ch[d^1];

平衡树平衡树

1 k->ch[d^1]=n;

平衡树

　　显然这个样子转是不会破坏平衡性的~

　　 
  1 # include <cstdio>
  2 # include <iostream>
  3 # include <cstring>
  4 # include <string>
  5 # include <algorithm>
  6 # include <cmath>
  7 # include <cstdlib>
  8 # define R register int
  9 # define ll long long
 10 # define inf 100000008
 11 
 12 using namespace std;
 13 
 14 const int maxn=100005;
 15 int n,opt,x;
 16 struct node
 17 {
 18     int n,r,s,v;
 19     node *ch[2];
 20     void in (int x)
 21     {
 22         n=s=1;
 23         v=x;
 24         r=rand();
 25         ch[0]=ch[1]=NULL;
 26     }
 27     void update ()
 28     {
 29         s=n;
 30         if(ch[0]) s+=ch[0]->s;
 31         if(ch[1]) s+=ch[1]->s;
 32     }
 33     int cmp (int x)
 34     {
 35         if(x==v) return -1;
 36         return x>v;
 37     }
 38 }*roo,pool[maxn];
 39 
 40 node *newnode ()
 41 {
 42     static int cnt=0;
 43     return &pool[++cnt];
 44 }
 45 
 46 void rotate (node *&n,int d)
 47 {
 48     node *k=n->ch[d];
 49     n->ch[d]=k->ch[d^1];
 50     k->ch[d^1]=n;
 51     n->update();
 52     k->update();
 53     n=k;
 54 }
 55 
 56 void ins (node *&n,int x)
 57 {
 58     if(!n) n=newnode(),n->in(x);    
 59     else
 60     {
 61         int d=n->cmp(x);
 62         if(d==-1) n->n++;        
 63         else
 64         {
 65             ins(n->ch[d],x);
 66             if(n->ch[d]->r > n->r) rotate(n,d);
 67         }
 68         n->update();
 69     }
 70 }
 71 
 72 void del (node *&n,int x)
 73 {
 74     if(!n) return;
 75     int d=n->cmp(x);
 76     if(d==-1)
 77     {
 78         if(n->n > 1) --n->n;
 79         else if(!n->ch[1]) n=n->ch[0];
 80         else if(!n->ch[0]) n=n->ch[1];    
 81         else
 82         {
 83             int f=(n->ch[0]->r > n->ch[1]->r)?0:1;
 84             rotate(n,f);
 85             del(n->ch[f^1],x);
 86         }
 87         
 88     }else del(n->ch[d],x);
 89     if(n) n->update();
 90 }
 91 
 92 int ask_key (node *&n,int x)
 93 {
 94     if(!n) return 1;
 95     if(n->v==x) return (n->ch[0]?n->ch[0]->s:0)+1;
 96     if(n->v<x) return (n->ch[0]?n->ch[0]->s:0)+n->n+ask_key(n->ch[1],x);
 97     return ask_key(n->ch[0],x);
 98 }
 99 
100 int ask_value (node *&n,int x)
101 {
102     if(!n||n->s<x||x<=0) return 0;
103     int s=n->ch[0]?n->ch[0]->s:0;
104     if(s<x&&x<=s+n->n) return n->v;
105     if(s>=x) return ask_value(n->ch[0],x);
106     return ask_value(n->ch[1],x-s-n->n);
107 }
108 
109 int lef (node *&n,int x)
110 {
111     if(!n) return -inf;
112     if(n->v >= x) return lef(n->ch[0],x);
113     return max(n->v,lef(n->ch[1],x)); 
114 }
115 
116 int rig (node *&n,int x)
117 {
118     if(!n) return inf;
119     if (n->v <= x) return rig(n->ch[1], x);
120     return min(n->v,rig(n->ch[0], x));
121 }
122 
123 int main()
124 {
125     scanf("%d",&n);
126     for (R i=1;i<=n;++i)
127     {
128         scanf("%d%d",&opt,&x);
129         if(opt==1) ins(roo,x);
130         else if(opt==2) del(roo,x);
131         else if(opt==3) printf("%d
",ask_key(roo,x));
132         else if(opt==4) printf("%d
",ask_value(roo,x));
133         else if(opt==5) printf("%d
",lef(roo,x));
134         else printf("%d
",rig(roo,x));
135     }
136     return 0;
137 }
Treap

 

　　文艺平衡树：https://www.lydsy.com/JudgeOnline/problem.php?id=3223

　　区间翻转。这种题大概只能用$Splay$来做了吧,反正我不知道$Treap$怎么做这东西.

　　首先$Splay$也是一种平衡树,人气很高,常数据传比较大.它的复杂度不依赖于随机,但是也有一点玄学.它的核心操作就叫$Splay$,是一种很精巧的旋转,它的作用是将任意节点旋转到某一节点底下作为它的儿子,这样的特性就决定了她对于许多序列操作的不可替代性.关于$Splay$有几点要注意的问题:

　　·旋转不分左旋右旋($Treap$的关键在于将父亲往下转,因为有两个儿子所以要分开看;而$Splay$的核心是往父亲上面转,显然父亲只有一个);

　　·维护序列时可以打$delta$标记,但是一定要记得下放;

　　说了这么多下面就来讲讲旋转:

　　$Splay$的旋转很有意思,它基于一个相对简单的$rotate$操作(把自己转到父亲的位置),但是不是一味的瞎转,这样有可能虽然达成了目的却使链的长度越来越长;首先我们要找到这个节点的父亲,再找到他的爷爷,如果爷爷就是目标节点,转一下自己,退出.如果爷爷父亲自己三点共线,那么先转一下父亲,再转一下自己,否则自己转两次即可.

　　如果我们要操作区间$[l,r]$,那么首先找到$l$的前驱,把它转到根的位置,再将$r$的后继转到根的右儿子,此时根的右儿子的左儿子就是我们所需要的区间了,可以用来维护一些带插入的,线段树做不了的操作.

　　 
  1 # include <cstdio>
  2 # include <iostream>
  3 # include <queue>
  4 # include <cstring>
  5 # include <string>
  6 # define R register int
  7 # define ll long long
  8 
  9 using namespace std;
 10 
 11 const int maxn=100005;
 12 int n,m,x,y,roo;
 13 struct node
 14 {
 15     int delta,ch[2],f,siz;
 16 }t[maxn];
 17 
 18 int read();
 19 
 20 inline void update (int id)
 21 {
 22     t[id].siz=t[ t[id].ch[0] ].siz+t[ t[id].ch[1] ].siz+1;
 23 }
 24 
 25 inline void lin (int x,int f,int d)
 26 {
 27     t[x].f=f;
 28     t[f].ch[d]=x;
 29 }
 30 
 31 int build (int l,int r)
 32 {
 33     if(l>r) return 0;
 34     int mid=(l+r)>>1;
 35     lin(build(l,mid-1),mid,0);
 36     lin(build(mid+1,r),mid,1);
 37     t[mid].delta=0;
 38     update(mid);
 39     return mid;
 40 }
 41 
 42 inline void pushdown (int n)
 43 {
 44     t[n].delta=0;
 45     t[ t[n].ch[0] ].delta^=1;
 46     t[ t[n].ch[1] ].delta^=1;
 47     swap(t[n].ch[0],t[n].ch[1]);
 48 }
 49 
 50 void write (int x)
 51 {
 52     if(!x) return;
 53     if(t[x].delta) pushdown(x);
 54     write(t[x].ch[0]);
 55     if(x!=1&&x!=n+2) printf("%d ",x-1);
 56     write(t[x].ch[1]);
 57 }
 58 
 59 inline int D (int x)
 60 {
 61     return x==t[ t[x].f ].ch[1];
 62 }
 63 
 64 void rotate (int x)
 65 {
 66     int f=t[x].f;
 67     if(f==roo) roo=x;
 68     int g=t[f].f;
 69     int mf=D(x),gf=D(f);
 70     int k=t[x].ch[mf^1];
 71     lin(k,f,mf),lin(f,x,mf^1),lin(x,g,gf);
 72     update(f),update(x);
 73 }
 74 
 75 void splay (int x,int g)
 76 {
 77     while(t[x].f!=g)
 78     {
 79         if(t[ t[x].f ].f==g) rotate(x);
 80         else if(D(x)==D(t[x].f)) rotate(t[x].f),rotate(x);
 81         else rotate(x),rotate(x);
 82     }
 83     update(x);
 84 }
 85 
 86 inline int find (int x)
 87 {
 88     int no=roo;
 89     x--;
 90     if(t[no].delta) pushdown(no);
 91     while (t[ t[no].ch[0] ].siz!=x)
 92     {
 93         if(t[ t[no].ch[0] ].siz<x)
 94             x-=t[ t[no].ch[0] ].siz+1,no=t[no].ch[1];
 95         else no=t[no].ch[0];
 96         if(t[no].delta) pushdown(no);
 97     }
 98     return no;
 99 }
100 
101 int main()
102 {
103     n=read(),m=read();
104     roo=build(1,n+2);
105     while(m--)
106     {
107         x=read(),y=read();
108         x=find(x);
109         splay(x,0);
110         y=find(y+2);
111         splay(y,roo);
112         t[ t[y].ch[0] ].delta^=1;
113     }
114     write(roo);
115     return 0;
116 }
117 
118 inline int read()
119 {
120     int x=0;
121     char c=getchar();
122     while (!isdigit(c)) c=getchar();
123     while (isdigit(c)) x=(x<<3)+(x<<1)+(c^48),c=getchar();
124     return x;
125 }
Splay

　　营业额统计：https://www.lydsy.com/JudgeOnline/problem.php?id=1588

　　题意概述：每次插入一个数，并找到以前插入过的数中和它最接近的一个作差取绝对值加起来，输出总的差；

　　Treap板子题，就当练练手。最接近的一个必然是前驱或者后继...没了。

　　 
  1 # include <cstdio>
  2 # include <iostream>
  3 # include <cstdlib>
  4 # include <algorithm>
  5 # define inf 1000009
  6 # define R register int
  7 
  8 using namespace std;
  9 
 10 const int maxn=32770;
 11 int n,x,l,r,ans;
 12 struct node
 13 {
 14     int n,v,s,r;
 15     node *ch[2];
 16     void in (int x)
 17     {
 18         v=x;
 19         n=s=1;
 20         r=rand();
 21         ch[0]=ch[1]=NULL;
 22     }
 23     void update()
 24     {
 25         s=n;
 26         if(ch[0]) s+=ch[0]->s;
 27         if(ch[1]) s+=ch[1]->s;
 28     }
 29     int cmp (int x)
 30     {
 31         if(x==v) return -1;
 32         return x>v;
 33     }
 34 }*roo,pool[maxn];
 35 
 36 node *newnode()
 37 {
 38     static int cnt=0;
 39     return &pool[++cnt];
 40 }
 41 
 42 inline int read()
 43 {
 44     int x=0,f=1;
 45     char c=getchar();
 46     while (!isdigit(c)) { if(c=='-') f=-f; c=getchar(); }
 47     while (isdigit(c))  { x=(x<<3)+(x<<1)+(c^48); c=getchar(); }
 48     return x*f;
 49 }
 50 
 51 void rotate (node *&n,int d)
 52 {
 53     node *k=n->ch[d^1];
 54     n->ch[d^1]=k->ch[d];
 55     k->ch[d]=n;
 56     n->update();
 57     k->update();
 58     n=k;
 59 }
 60 
 61 void ins (node *&n,int x)
 62 {
 63     if(!n) n=newnode(),n->in(x);
 64     else
 65     {
 66         int d=n->cmp(x);
 67         if(d==-1) n->n++;
 68         else
 69         {
 70             ins(n->ch[d],x);
 71             if(n->r < n->ch[d]->r) rotate(n,d^1);
 72         }
 73         n->update();
 74     } 
 75 }
 76 
 77 int lef (node *&n,int x)
 78 {
 79     if(!n) return -inf;
 80     if(n->v > x) return lef(n->ch[0],x);
 81     return max(n->v,lef(n->ch[1],x));
 82 }
 83 
 84 int rig (node *&n,int x)
 85 {
 86     if(!n) return inf;
 87     if(n->v < x) return rig(n->ch[1],x);
 88     return min(n->v,rig(n->ch[0],x));
 89 }
 90 
 91 int main()
 92 {
 93     scanf("%d",&n);
 94     x=read();
 95     ans=x;
 96     ins(roo,x);
 97     for (int i=2;i<=n;++i)
 98     {
 99         x=read();
100         l=lef(roo,x);
101         r=rig(roo,x);
102         if(l==-inf) ans+=r-x;
103         else if(r==inf) ans+=x-l;
104         else ans+=min(x-l,r-x);
105         ins(roo,x);
106     }
107     printf("%d",ans);
108     return 0;
109 }
营业额统计

 

　　宠物收养所：https://www.lydsy.com/JudgeOnline/problem.php?id=1208

　　题意概述：一个宠物收养所，当有人来且有宠物时，他就带走一个与自己的特征值最接近的宠物，如果没有宠物就在里面等，宠物同样。

　　可以看出，无论什么时候，收养所里面不可能又有宠物又有人，所以可以用一棵Treap维护，顺便维护一下现在里面有几个人或是宠物就好了。其实本质上人和宠物是没有区别的，可以认为当人都在里面等的时候就是宠物领养人了(雾。不过嘛...还真是，到底是你在养宠物还是宠物在养你？每次猫猫挠我的时候，睡觉不理我的时候，我都很好奇。

　　 
  1 # include <cstdio>
  2 # include <iostream>
  3 # include <cstdlib>
  4 # define inf 21474836480LL
  5 
  6 using namespace std;
  7 
  8 const int maxn=80008;
  9 int n,cw,ly;
 10 long long l,r;
 11 int a;
 12 long long ans,b;
 13 
 14 struct node
 15 {
 16     int n,s,r;
 17     long long v;
 18     node *ch[2];
 19     void in (long long x)
 20     {
 21         v=x;
 22         n=s=1;
 23         r=rand();
 24         ch[0]=ch[1]=NULL;
 25     }
 26     void update()
 27     {
 28         s=n;
 29         if(ch[0]) s+=ch[0]->s;
 30         if(ch[1]) s+=ch[1]->s;
 31     }
 32     int cmp (long long x)
 33     {
 34         if(x==v) return -1;
 35         return x>v;    
 36     }
 37 }*roo,pool[maxn];
 38 
 39 node *newnode()
 40 {
 41     static int cnt=0;
 42     return &pool[++cnt];
 43 }
 44 
 45 void rotate (node *&n,int d)
 46 {
 47     node *k=n->ch[d^1];
 48     n->ch[d^1]=k->ch[d];
 49     k->ch[d]=n;
 50     n->update();
 51     k->update();
 52     n=k;
 53 }
 54 
 55 long long lef (node *&n,long long x)
 56 {
 57     if(!n) return -inf;
 58     if(n->v > x) return lef(n->ch[0],x);
 59     return max(n->v,lef(n->ch[1],x));
 60 }
 61 
 62 long long rig (node *&n,long long x)
 63 {
 64     if(!n) return inf;
 65     if(n->v < x) return rig(n->ch[1],x);
 66     return min(n->v,rig(n->ch[0],x));
 67 }
 68 
 69 void ins (node *&n,long long x)
 70 {
 71     if(!n) n=newnode(),n->in(x);
 72     else
 73     {
 74         int d=n->cmp(x);
 75         if(d==-1) n->n++;
 76         else
 77         {
 78             ins(n->ch[d],x);
 79             if(n->r < n->ch[d]->r) rotate(n,d^1);
 80         }
 81         n->update();
 82     }
 83 }
 84 
 85 void del (node *&n,long long x)
 86 {
 87     if(!n) return ;
 88     int d=n->cmp(x);
 89     if(d==-1)
 90     {
 91         if(n->n > 1) --n->n;
 92         else if(!n->ch[0]) n=n->ch[1];
 93         else if(!n->ch[1]) n=n->ch[0];
 94         else
 95         {
 96             int f=(n->ch[0]->r > n->ch[1]->r)?1:0;
 97             rotate(n,f);
 98             del(n->ch[f],x);
 99         }
100     }else del(n->ch[d],x);
101     if(n) n->update();
102 }
103 
104 int main()
105 {
106     scanf("%d",&n);
107     for (int i=1;i<=n;++i)
108     {
109         scanf("%d%lld",&a,&b);
110         if(a==1&&cw==0) ins(roo,b),ly++;
111         else if(a==1&&cw)
112         {
113             l=lef(roo,b);
114             r=rig(roo,b);
115             if(l==-inf) { ans+=r-b; del(roo,r); }
116             else if(r==inf) { ans+=b-l; del(roo,l); }
117             else if(b-l<=r-b) { ans+=b-l; del(roo,l); }
118             else { ans+=r-b; del(roo,r); }
119             cw--;
120         }
121         else
122         if(a==0&&ly==0) ins(roo,b),cw++;
123         else if(a==0&&ly)
124         {
125             l=lef(roo,b);
126             r=rig(roo,b);
127             if(l==-inf) { ans+=r-b; del(roo,r); }
128             else if(r==inf) { ans+=b-l; del(roo,l); }
129             else if(b-l<=r-b) { ans+=b-l; del(roo,l); }
130             else { ans+=r-b; del(roo,r); }
131             ly--;
132         }
133         ans%=1000000;
134     }
135     printf("%lld",ans);
136     return 0;
137 }
宠物收养所

 

　　永无乡:https://www.lydsy.com/JudgeOnline/problem.php?id=2733

　　题意概述:有一些岛,每个岛有一个重要程度,每次询问某个岛所在的联通块内重要度第$k$小的岛的编号,或是在两岛之间修一条路.

　　首先找第$k$小就可以想到平衡树啦,联通块可以拿并查集来维护,但是合并两个联通块之后怎么办呢?可以想到一个暴力的做法,每当两块合并时直接将小一点的平衡树拆掉塞进大的里面,然后再考虑优化...等等...过了！

　　其实这个做法听起来暴力极了，其实还是挺科学的，这就是所谓启发式合并。因为每次都把小的往大的里边合并，所以每个点最多也只会被合并$log$次,复杂度是$O(N(logN)^2)$

　　 
  1 // luogu-judger-enable-o2
  2 # include <cstdio>
  3 # include <iostream>
  4 # include <cstring>
  5 # include <string>
  6 # include <algorithm>
  7 # include <cmath>
  8 # include <cstdlib>
  9 # include <queue>
 10 # include <ctime>
 11 # define R register int
 12 # define ll long long
 13 
 14 using namespace std;
 15 
 16 const int maxn=100005;
 17 int n,m,v[maxn],h,f[maxn],x,y,k,Q,pos[maxn];
 18 char s[2];
 19 struct node
 20 {
 21     int n,v,s,r;
 22     node *ch[2];
 23     void in (int x)
 24     {
 25         n=s=1;
 26         v=x;
 27         r=rand();
 28         ch[0]=ch[1]=NULL;
 29     }
 30     int cmp (int x)
 31     {
 32         if(x==v) return -1;
 33         return x>v;
 34     }
 35     void update()
 36     {
 37         s=n;
 38         if(ch[0]) s+=ch[0]->s;
 39         if(ch[1]) s+=ch[1]->s;
 40     }
 41 }*roo[maxn],pool[maxn*50];
 42 node *q[maxn];
 43 
 44 inline int read();
 45 node *newnode();
 46 void ins (node *&node,int x);
 47 inline void mer (int x,int y);
 48 void rotate (node *&n,int d);
 49 int father (int x);
 50 int ask (node *&n,int k);
 51 
 52 void write (int x)
 53 {
 54     if(x<0) putchar('-'),write(-x);
 55     else
 56     {
 57         if(x>=10) write(x/10);
 58         putchar(x%10+'0');
 59     }
 60 }
 61 
 62 int main()
 63 {
 64     srand(time(0));
 65     n=read(),m=read();
 66     for (R i=1;i<=n;++i)
 67         x=read(),f[i]=i,ins(roo[i],x),pos[x]=i;
 68     for (R i=1;i<=m;++i)
 69     {
 70         x=read(),y=read();
 71         if(x==0||y==0) continue;
 72         mer(x,y);
 73     }
 74     Q=read();
 75     int ans=0;
 76     while (Q--)
 77     {
 78         scanf("%s",s);
 79         x=read(),y=read();
 80         if(s[0]=='Q')
 81         {
 82             
 83             x=father(x);
 84             if(roo[x]->s<y) ans=-1;
 85             else ans=pos[ ask(roo[x],y) ];
 86             write(ans);
 87             putchar('
');
 88         }
 89         else
 90         {
 91             mer(x,y);
 92             if(x==0||y==0) continue;
 93         }
 94     }
 95     return 0;
 96 }
 97 
 98 inline int read()
 99 {
100     int x=0;
101     char c=getchar();
102     while(!isdigit(c)) c=getchar();
103     while(isdigit(c)) x=(x<<3)+(x<<1)+(c^48),c=getchar();
104     return x;
105 }
106 
107 int father (int x) { if(x!=f[x]) return f[x]=father(f[x]); return x; }
108 
109 node *newnode()
110 {
111     static int cnt=0;
112     return &pool[++cnt];
113 }
114 
115 void ins (node *&n,int x)
116 {
117     if(!n) n=newnode(),n->in(x);
118     else
119     {
120         int d=n->cmp(x);
121         if(d==-1) ++n->n;
122         else
123         {
124             ins(n->ch[d],x);
125             if(n->ch[d]->r > n->r) rotate(n,d);
126         }
127         n->update();
128     }
129 }
130 
131 void rotate (node *&n,int d) // rotate n->ch[d] to n
132 {
133     node *k=n->ch[d];
134     n->ch[d]=k->ch[d^1];
135     k->ch[d^1]=n;
136     n->update();
137     k->update();
138     n=k;
139 }
140 
141 inline void mer (int x,int y)
142 {
143     if(roo[x]->s<roo[y]->s) swap(x,y);
144     x=father(x);
145     y=father(y);
146     if(x==y) return;
147     f[y]=x;
148     int h=1,t=0;
149     q[++t]=roo[y];
150     node *k;
151     while(h<=t)
152     {
153         k=q[h];
154         ins(roo[x],k->v);
155         if(k->ch[0]) q[++t]=k->ch[0];
156         if(k->ch[1]) q[++t]=k->ch[1];
157         h++;
158     }
159     roo[y]=roo[x];
160 }
161 
162 int ask (node *&n,int k)
163 {
164     if(!n||k<0||n->s<k) return 0;
165     int s=n->ch[0]?n->ch[0]->s:0;
166     if(s<k&&k<=n->n+s) return n->v;
167     if(s<k) return ask(n->ch[1],k-n->n-s);
168     return ask(n->ch[0],k);
169 }
永无乡

---shzr

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