POJ 3264 Balanced Lineup 线段树 / 平方分割

一、题目大意

给出一个长度为 n（n<=50000) 数组 arr，进行Q次查询（Q<=200000），每次查询的内容为数组arr在 [L , R] 的切片的极差（最大元素 - 最小元素）

二、解题思路

1、线段树

区间极差其实就是 区间内最大值 - 区间内最小，那么就想到RMQ，用线段树去维护一个区间内的最大和最小元素，然后根据问题的区间 L 和 R，找到相关的线段树节点，从中找出 最大值最大的，然后减去最大值 最小的即可。

实现的方式就非常简单了，因为是线段树，所以就把叶子节点的数量扩展到满足 2^i >= n_的最小i的2^i，然后给那些多扩展出来的节点的最小值设置成无穷大，最大值设置成负无穷大，则不会影响线段树计算

设一开始输入的规模为n_，然后线段树叶子节点数量为n（一定需要为2的次幂），设输入的数组为num，线段树最大值datMax，最小值为datMin，为计算叶子节点对应的数组下标，可以用 i - n + 1，其中 i 是线段树节点的下标， i - n + 1是数组的下标，对于i - n + 1= n_的，datMax[i]= (-1) * inf，datMin[i]= inf

然后计算父节点的时候，那就 datMin[i]=min(datMin[i * 2 + 1] , datMin[i * 2 + 2])，datMax[i]=max(datMax[i * 2 + 1] , datMax[i * 2 + 2])即可。

然后判断是否为叶子节点，就看 i 是不是大于 n - 1即可（n不是输入的规模，而是大于输入规模n_的第一个 2^i）

构建树的时候从 i=2*n-2;i>=0;i--即可。

然后查询L R的时候，只需要从根节点开始进行如下三个步骤，可以设最终用到的最小值为mint，最大值为maxt，然后设置mint=inf,maxt=inf * (-1)

1、节点 i 的区间如果与 L 和 R 毫无关联，则return

2、节点 i 区间被 L 和 R 完全包含，则mint=min(datMin[i],mint),maxt=max(datMax[i],maxt)

3、节点 i 与区间有重合部分，但不完全包含，递归 i * 2 + 1 和 i * 2 + 2

然后输出 maxt - mint即可解题

我写线段树时候，比较喜欢直接用数组，然后每个节点维护的区间为 左闭右开，比如 [0,1) [0,2) [0,4)，然后我习惯于把最大区间弄成 2 的次幂，之后用无穷大和负无穷大来补充不足的值 ，之后区间通过调用方法时的参数传递，根节点 0 的区间为 [0 , n)，然后如果节点 i 的区间为[L , R]，则它左孩子 i * 2 + 1的区间为[0 , (L + R) / 2] ，右孩子的区间为 [(L + R) / 2, R)，如果叶子节点数量时2的次幂，这个区间的计算可以通过画个图看出来 ，如下图所示。

然后另外补充一点，我觉得线段树叶子大小还是要扩充到2^i，不然叶子节点的赋值容易出问题，就是用循环方式，从2*n - 2到0用i-- 初始化的时候，一定会出问题，如下所示。

因为叶子节点不一定是下标最大的几个节点，也不一定是 i >= n - 1的节点，所以循环方式初始化有问题，但是使用递归初始化的话，不会有问题，而且代码看起来更精简。

不过还是建议把线段树的叶子节点扩充到最接近的 2的次幂，这样的话每一层的节点维护的区间是一样长的，更规范。

2、平方分割

平方分割的话，就简单很多了，我计算了下 根号 50000是 224再多一点，所以直接定义230个桶，设桶的大小为根号n下取整，定义为B，然后第 i 个桶维护的区间是 [i * B,(i + 1) * B)，如果 i * B < n，但是 (i + 1) * B大于 n 时，那么桶 i 维护的区间为 [ i * B , n)，然后维护每个桶的最大值和最小值。

设每个桶的最小值bucketMin，最大值为bucketMax，最开始把满足 i * B < n范围内所有的bucketMax[i]=inf*(-1)，bucketMin[i]=inf，（我将区间从0开始，左闭右开，则n-1为最后一个有效位置，当i * B == n则，代表第 i 个桶的起点维护的是数组里不存在的元素，所以 i * B < n为范围）初始化的时候，只需用 i 循环 num 数组

1、bucketMax[i / B]=max(bucketMax[i / B] , num[i])

2、bucketMin[i / B]=max(bucketMin[i / B] , num[i])

然后对于每一次输入的 [L , R]区间，我们把它变成左闭右开，初始位置从0开始，即 L--，R不变，然后设置两个变量 mint = inf,maxt= inf * (-1)（inf是无穷大，定义成 0x3f3f3f3f就行）

用一个数组bucketQue记录包含在区间里的桶，设它的长度为queLen，初始化为 0

在 i * B < n 的范围内循环所有的桶，计算桶的区间左边bucketL = i * B，区间右边 bucketR = (i + 1)*B，然后bucketR > n 时，bucketR = n，如果 [bucketL , bucketR)被 [L , R)完全包含，则

1、mint = min(mint , bucketMin[i])

2、maxt = max(maxt , bucketMax[i])

3、bucketQue[queLen++] = i

然后处理不在桶内的区间，如果 queLen==0，则区间内不完整包含任何一个桶，则循环 [L , R)

1、mint = min(mint , num[i])

2、maxt = max(maxt ,num[i])

如果queLen>0，则循环 [L , bucketQue[0] * B) 和 [(bucketQue[queLen - 1] + 1) * B) , R)

1、mint = min(mint , num[i])

2、maxt = max(maxt ,num[i])

不难看出，bucketQue[0]是第一个桶，bucketQue[0] * B是第一个桶的起点（包含）

bucketQue[queLen - 1]是最后一个桶，bucketQue[queLen - 1]是最后一个桶的终点（不包含）

所以这两段左闭右开的区间是不包含在桶内的，而且在区间内的边缘，需要计算。

然后输出 maxt - mint即可。

三、代码

1、线段树（循环方式初始化，初始化叶子节点大小为 2的次幂）

#include 
using namespace std;
int datTall[131080], datShort[131080], n, n_, num[50007], inf = 0x3f3f3f3f, minShort, maxTall;
void input()
{
    for (int i = 0; i < n_; i++)
    {
        scanf("%d", &num[i]);
    }
}
void init()
{
    n = 1;
    while (n < n_)
    {
        n = n * 2;
    }
    for (int i = (2 * n - 2); i >= 0; i--)
    {
        if (i >= (n - 1))
        {
            if ((i - n + 1) < n_)
            {
                datTall[i] = num[i - n + 1];
                datShort[i] = num[i - n + 1];
            }
            else
            {
                datTall[i] = -inf;
                datShort[i] = inf;
            }
        }
        else
        {
            int lch = i * 2 + 1;
            int rch = i * 2 + 2;
            datTall[i] = max(datTall[lch], datTall[rch]);
            datShort[i] = min(datShort[lch], datShort[rch]);
        }
    }
}
void query(int l_, int r_, int i, int l, int r)
{
    if (l_ >= r || r_ <= l)
    {
    }
    else if (l >= l_ && r <= r_)
    {
        minShort = min(minShort, datShort[i]);
        maxTall = max(maxTall, datTall[i]);
    }
    else
    {
        query(l_, r_, i * 2 + 1, l, (l + r) / 2);
        query(l_, r_, i * 2 + 2, (l + r) / 2, r);
    }
}
int main()
{
    int m, L, R;
    scanf("%d%d", &n_, &m);
    input();
    init();
    while (m--)
    {
        scanf("%d%d", &L, &R);
        minShort = inf;
        maxTall = -inf;
        query(L - 1, R, 0, 0, n);
        printf("%d\n", maxTall - minShort);
    }
    return 0;
}

2、平方分割

#include 
#include 
using namespace std;
int datTall[230], datShort[230], num[50007], n, B, inf = 0x3f3f3f3f, bucketQue[230], queLen;
void input()
{
    B = 1;
    while (B * B <= n)
    {
        B++;
    }
    B--;
    for (int i = 0; (i * B) < n; i++)
    {
        datTall[i] = -inf;
        datShort[i] = inf;
    }
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        scanf("%d", &num[i]);
        datTall[i / B] = max(datTall[i / B], num[i]);
        datShort[i / B] = min(datShort[i / B], num[i]);
    }
}
void solve(int L, int R)
{
    queLen = 0;
    int minTall = inf, maxTall = -inf;
    for (int i = 0; (i * B) < n; i++)
    {
        int bucketL = i * B;
        int bucketR = (i + 1) * B;
        bucketR = (bucketR > n ? n : bucketR);
        if (bucketL >= L && bucketR <= R)
        {
            bucketQue[queLen++] = i;
            minTall = min(minTall, datShort[i]);
            maxTall = max(maxTall, datTall[i]);
        }
    }
    if (queLen == 0)
    {
        for (int i = L; i < R; i++)
        {
            minTall = min(minTall, num[i]);
            maxTall = max(maxTall, num[i]);
        }
    }
    else
    {
        for (int i = L; i < (bucketQue[0] * B); i++)
        {
            minTall = min(minTall, num[i]);
            maxTall = max(maxTall, num[i]);
        }
        for (int i = ((bucketQue[queLen - 1] + 1) * B); i < R; i++)
        {
            minTall = min(minTall, num[i]);
            maxTall = max(maxTall, num[i]);
        }
    }
    printf("%d\n", maxTall - minTall);
}
int main()
{
    int m, L, R;
    scanf("%d%d", &n, &m);
    input();
    while (m--)
    {
        scanf("%d%d", &L, &R);
        solve(L - 1, R);
    }
    return 0;
}

3、线段树（递归方式初始化，非完美二叉树，代码简洁）

#include 
using namespace std;
int datShort[131080], datTall[131080], n, num[50009], inf = 0x3f3f3f3f, mint, maxt;
void input()
{
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        scanf("%d", &num[i]);
    }
}
void build(int i, int l, int r)
{
    if (r - l == 1)
    {
        datShort[i] = num[l];
        datTall[i] = num[l];
    }
    else
    {
        int lch = i * 2 + 1;
        int rch = i * 2 + 2;
        build(lch, l, (l + r) / 2);
        build(rch, (l + r) / 2, r);
        datShort[i] = min(datShort[lch], datShort[rch]);
        datTall[i] = max(datTall[lch], datTall[rch]);
    }
}
void query(int l_, int r_, int i, int l, int r)
{
    if (l_ >= r || r_ <= l)
    {
    }
    else if (l >= l_ && r <= r_)
    {
        mint = min(mint, datShort[i]);
        maxt = max(maxt, datTall[i]);
    }
    else
    {
        query(l_, r_, i * 2 + 1, l, (l + r) / 2);
        query(l_, r_, i * 2 + 2, (l + r) / 2, r);
    }
}
int main()
{
    int m, L, R;
    scanf("%d%d", &n, &m);
    input();
    build(0, 0, n);
    while (m--)
    {
        scanf("%d%d", &L, &R);
        mint = inf, maxt = -inf;
        query(L - 1, R, 0, 0, n);
        printf("%d\n", maxt - mint);
    }
    return 0;
}