珂朵莉树学习笔记

珂朵莉树学习笔记

0x00 前言

0x01 关于其命名

  最开始出现在 Codeforces Round #449 (Div. 1) C题 上,这位珂学家在题解中用了一种玄学的数据结构解题,开始命名为 ODT树(Old Driver Tree,老司机树,以出题者的ID命名),后来普遍称为珂朵莉树。

0x02 能解决的问题

  珂朵莉树用于解决含有区间平推操作(即将区间上的数全部变为一个数)的问题时卓有成效,在数据随机的情况下,用 set 实现复杂度为 (O(N log log N)),用链表实现复杂度为 (O(N log N)),比同类问题其他算法更优。时间复杂度证明请移步这篇文章

0x03 前置知识

0x10 正文

  本文使用 Codeforces Round #449 (Div. 1) C题 作为例题讲解珂朵莉树。

0x11 题意

-- 威廉...
-- 怎么了?
-- 瑟尼欧里斯好像出了什么问题...
-- 我会看看的...

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瑟尼欧里斯是一把由特殊护符按特定顺序排列组成的剑。
已经 (500) 年过去了,现在剑的状态很差,所以威廉决定检查一下。
瑟尼欧里斯由 (n) 片护符组成,威廉把它们排成一列,每个护符上有一个数字 (a_i)。
为了保养它,威廉需要进行 (m) 次操作。
这里有四种操作:

  • (1 l r x) : 将区间 ([l, r]) 上的数加上 (x)。
  • (2 l r x) : 将区间 ([l, r]) 上的数全部变为 (x)。
  • (3 l r x) : 查询区间 ([l, r]) 的第 (x) 大数。
  • (4 l r x y) : 查询区间 ([l, r]) 上的数的 (x) 次方之和对 (y) 取模的值。

本题输入较为特殊,输入格式如下:
一行四个整数,分别为 (n),(m),(seed),(vmax),前两个变量意义如题目所述,后两个变量用于生成随机数据,数据生成伪代码如下

def rnd():      ret = seed     seed = (seed * 7 + 13) mod 1000000007     return ret  for i = 1 to n:      a[i] = (rnd() mod vmax) + 1  for i = 1 to m:      op = (rnd() mod 4) + 1     l = (rnd() mod n) + 1     r = (rnd() mod n) + 1      if (l > r):           swap(l, r)      if (op == 3):         x = (rnd() mod (r - l + 1)) + 1     else:         x = (rnd() mod vmax) + 1      if (op == 4):         y = (rnd() mod vmax) + 1 

0x12 珂朵莉树基本思路

  由于数据随机,所以在区间平推操作中区间长度普遍不会太短,所以区间总个数不会太多,于是我们就考虑维护每一个这样连续的区间,区间中的数都相同。

0x13 结构体定义

  用一个结构体来维护每一个区间的信息。

struct node { 	ll l, r; //区间左右端点 	mutable ll v; //区间单个元素值 	node(ll l, ll r, ll v) : l(l), r(r), v(v) {} 	bool operator< (const node &a) const { return l < a.l; } }; 

  在上述定义中有下面一点需要注意:

  • 因为元素值并不是固定的,所以一定要用 mutabel 让元素值可变起来

0x14 初始化

#include<set> set<node> tree; 

  这样你就得到了一颗啥也没有的珂朵莉树。

0x15 spilt操作

  因为一个区间上的数不一定自始至终都是一样的,所以我们需要一个分割函数将区间分隔开,这就是 spilt 函数。
  这个操作是珂朵莉树的核心操作之一,此函数有一个参数,表示要分裂的位置,我们先看代码,再解释它的运作过程。

auto spilt(ll pos) { 	auto it = tree.lower_bound(node(pos, 0, 0)); 	if(it != tree.end( ) && it -> l == pos) return it; 	it--; 	ll l = it -> l, r = it -> r, v = it -> v; 	tree.erase(it); 	tree.insert(node(l, pos - 1, v)); 	return tree.insert(node(pos, r, v)).first; } 

  首先,我们要找到一个左端点大于等于 (pos) 的区间,用一个迭代器指向它(注意,如果你使用的是c++11,auto 必须要换成 set<node>::iterator),如果当前区间的左端点等于 (pos) (并且这个区间要存在)那就说明当前区间不用分割,直接返回当前迭代器,否则就向前跳转到前一个区间,并将其分割为 ([l, pos - 1]) 和 ([pos, r]) 两个区间。

0x16 assgin操作

  珂朵莉树的核心操作之二,也就是区间平推操作。
  有了 spilt 函数,我们的实现也简单了很多,依旧是对着代码解释。

void assgin(ll l, ll r, ll v) { 	auto end = spilt(r + 1), start = spilt(l); 	tree.erase(start, end); 	tree.insert(node(l, r, v)); } 

  实现思路没什么好讲的,无非就是断开需要赋值的区间,全部删除再加入一个新的区间,重点在 spilt 的顺序上。
  看上去貌似和顺序没什么关系,如果单从逻辑上看确实如此,但是如果从实现上去看就会发现问题。
  假设我们要从区间 ([1, 10]) 里截取出 ([3, 7]),我们先执行 spilt(1),现在 start 迭代器指向的是区间 ([3, 10]),然后我们再执行 spilt(8),end 则指向了区间 ([8,10]),此时我们发现 start 指向的迭代器被第二次 spilt 操作 erase 掉了,所以调用时可能会 RE。(之所以是可能,是因为这东西比较玄学,有可能一会 RE,一会 AC,为了避免这种麻烦,还是规范写法较为稳妥)
  如果还是不理解,就结合下图再多看几遍上一段。

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0x17 其他代码实现

  核心代码就上面两个,剩下的乱搞就行。

void add(ll l, ll r, ll x) { //区间加操作 	auto end = spilt(r + 1), start = spilt(l); 	for(auto it = start; it != end; it++) 		it -> v += x; //mulable的作用在此 }  
struct Rank { 	ll num, cnt; // 值与数量 	Rank(ll num, ll cnt) : num(num), cnt(cnt) {} 	bool operator< (const Rank &a) const { return num < a.num; } };  ll get_rank(ll l, ll r, ll x) { //求区间第 x 大数 	auto end = spilt(r + 1), start = spilt(l); 	vector<Rank> vec; 	for(auto it = start; it != end; it++) vec.push_back(Rank(it -> v, it -> r - it -> l + 1)); 	sort(vec.begin( ), vec.end( )); //将区间上的所有数排序,以便后续暴力查找 	int i; 	for(i = 0; i < vec.size( ); i++) { 		if(vec[i].cnt < x) x -= vec[i].cnt; 		else break; 	} 	return vec[i].num; } 
ll get_power(ll l, ll r, ll x, ll y) { //求区间 x 次方和 mod y 的值 	auto end = spilt(r + 1), start = spilt(l); 	ll ans = 0; 	for(auto it = start; it != end; it++) ans = (ans + power(it -> v, x, y) * (it -> r - it -> l + 1) % y) % y; //power 为快速幂函数 	return ans; } 

0x17 完整代码

  请在确保自己理解上述所有内容的情况下阅读

#include<algorithm> #include<iostream> #include<vector> #include<cstdio> #include<set> using namespace std;  typedef long long ll; const int MOD = 1e9 + 7; ll n, m, seed, vmax;  struct node { 	ll l, r; 	mutable ll v; 	node(ll l, ll r, ll v) : l(l), r(r), v(v) {} 	bool operator< (const node &a) const { return l < a.l; } };  struct Rank { 	ll num, cnt; 	Rank(ll num, ll cnt) : num(num), cnt(cnt) {} 	bool operator< (const Rank &a) const { return num < a.num; } };  set<node> tree;   ll rnd( ); auto split(ll pos); void add(ll l, ll r, ll x); ll power(ll a, ll b, ll p); void assgin(ll l, ll r, ll v); ll get_rank(ll l, ll r, ll x); ll get_power(ll l, ll r, ll x, ll y);  int main( ) { 	cin >> n >> m >> seed >> vmax; 	for(int i = 1; i <= n; i++) tree.insert(node(i, i, rnd( ) % vmax + 1)); 	for(int i = 1; i <= m; i++) { 		ll op, l, r, x, y; 		op = rnd( ) % 4 + 1; 		l = rnd( ) % n + 1; 		r = rnd( ) % n + 1; 		if(l > r) swap(l, r); 		if(op == 3) x = rnd( ) % (r - l + 1) + 1; 		else x = rnd( ) % vmax + 1; 		if(op == 4) y = rnd( ) % vmax + 1; 		 		if(op == 1) add(l, r, x); 		if(op == 2) assgin(l, r, x); 		if(op == 3) cout << get_rank(l, r, x) << endl; 		if(op == 4) cout << get_power(l, r, x, y) << endl; 	} 	return 0; }  auto spilt(ll pos) { 	auto it = tree.lower_bound(node(pos, 0, 0)); 	if(it != tree.end( ) && it -> l == pos) return it; 	it--; 	ll l = it -> l, r = it -> r, v = it -> v; 	tree.erase(it); 	tree.insert(node(l, pos - 1, v)); 	return tree.insert(node(pos, r, v)).first; }  void assgin(ll l, ll r, ll v) { 	auto end = spilt(r + 1), start = spilt(l); 	tree.erase(start, end); 	tree.insert(node(l, r, v)); }  void add(ll l, ll r, ll x) { 	auto end = spilt(r + 1), start = spilt(l); 	for(auto it = start; it != end; it++) 		it -> v += x; }   ll get_rank(ll l, ll r, ll x) { 	auto end = spilt(r + 1), start = spilt(l); 	vector<Rank> vec; 	for(auto it = start; it != end; it++) vec.push_back(Rank(it -> v, it -> r - it -> l + 1)); 	sort(vec.begin( ), vec.end( )); 	int i; 	for(i = 0; i < vec.size( ); i++) { 		if(vec[i].cnt < x) x -= vec[i].cnt; 		else break; 	} 	return vec[i].num; }  ll get_power(ll l, ll r, ll x, ll y) { 	auto end = spilt(r + 1), start = spilt(l); 	ll ans = 0; 	for(auto it = start; it != end; it++) ans = (ans + power(it -> v, x, y) * (it -> r - it -> l + 1) % y) % y; 	return ans; }  ll power(ll a, ll b, ll p) { 	ll res = 1, base = a % p; 	while(b) { 		if(b & 1) res = (res * base) % p; 		base = (base * base) % p; 		b >>= 1; 	} 	return res; }  ll rnd( ) { 	ll res = seed; 	seed = (seed * 7 + 13) % MOD; 	return res; } 

0x18 小结

  珂朵莉树的核心其实就二十行左右的代码,并不是什么很难得算法,但是由于其对于数据的要求,很少有题将其作为正解,但是考场骗分还是很有用的。

0x19 习题

0x20 后记

  本文是本蒟蒻近期学习了珂朵莉树,为了巩固所以写下了这篇学习笔记,如果有纰漏请指出。
  另外感谢本文用到的所有资料的提供者。

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