1. 基础算法初识
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1.1快速排序


思想

  • 先取一个中间的任意值x将需要排序的序列划分为左右两个区间
  • 以递增为例,使得左区间的数都满足q[i]<=x右区间的数都满足q[i]>=x
  • 然后对左右两个区间分别排序最终得到递增序列

模板

int q[N];  //q[N]为需要排序的序列,需初始化为全局变量

void quick_sort(int q[],int l,int r){  //调用方法quick_sort(q,0,n-1) 其中n-1为末尾下标,即末边界
    if(l>=r) return ;  //若满足条件直接返回

    int x=q[l+r>>1],i=l-1,j=r+1;  //i,j为移动的两个指针
    while(i<j){
        do i++; while(q[i]<x);  //i先移动,若q[i]<x则停止
        do j--; while(q[j]>x);  //j再移动,若q[j]>x则停止
        if(i<j) swap(q[i],q[j]);  //若两个指针未相遇,则交换两个值
    }
    quick_sort(q,l,j);
    quick_sort(q,j+1,r);  //递归处理区间
}

例题 785. 快速排序

原题链接

描述

给定你一个长度为 n 的整数数列。

请你使用快速排序对这个数列按照从小到大进行排序。

并将排好序的数列按顺序输出。

输入格式

输入共两行,第一行包含整数 n。

第二行包含 n 个整数(所有整数均在 1∼109范围内),表示整个数列。

输出格式

输出共一行,包含 nn 个整数,表示排好序的数列。

数据范围

1≤n≤100000

输入样例:

5
3 1 2 4 5

输出样例:

1 2 3 4 5

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1e6+10;

int a[N];

void quick_sort(int q[],int l,int r){
    if(l>=r) return ;
    int x=q[l+r>>1],i=l-1,j=r+1;
    while(i<j){
        do i++; while(q[i]<x);
        do j--; while(q[j]>x);
        if(i<j) swap(q[i],q[j]);
    }
    quick_sort(q,l,j);
    quick_sort(q,j+1,r);
}

int main(){
    int n;
    cin>>n;
    for(int i=0;i<n;i++){
        cin>>a[i];
    }
    quick_sort(a,0,n-1);
    for(int i=0;i<n;i++){
        cout<<a[i]<<" ";
    }
    return 0;
}

1.2归并排序


思想:——分治

  • 先取需要排序的序列中点位置,将序列分为左右两个区间
  • 递归对左右两个区间分别排序
  • 开辟一个新空间,利用两个指针将两个序列的数存入

模板

int q[N],t[N];  //归并排序需要额外开辟一个新数组,用于存储答案

void merge_sort(int q[],int l,int r){  //调用方法merge_sort(q,0,n-1) 其中n-1为末尾下标,即末边界
    if(l==r) return ;
    int mid=l+r>>1;  //取中间下标mid作为分界
    merge_sort(q,l,mid);  //递归排序左右两个区间
    merge_sort(q,mid+1,r);
    int k=0,i=l,j=mid+1;
    while(i<=mid&&j<=r){  //归并过程
        if(q[i]<=q[j]) t[k++]=q[i++];
        else t[k++]=q[j++];
    }
    while(i<=mid) t[k++]=q[i++];  //若有剩下的进行扫尾
    while(j<=r) t[k++]=q[j++];
    for(int i=l,j=0;i<=r;i++,j++){  //更新答案
        q[i]=t[j];
    }
}

例题 788. 逆序对的数量

原题链接

描述

给定一个长度为 n 的整数数列,请你计算数列中的逆序对的数量。

逆序对的定义如下:对于数列的第 i 个和第 j 个元素,如果满足 i<j 且 a[i]>a[j],则其为一个逆序对;否则不是。

输入格式
第一行包含整数 n,表示数列的长度。

第二行包含 n 个整数,表示整个数列。

输出格式
输出一个整数,表示逆序对的个数。

数据范围
1≤n≤100000,
数列中的元素的取值范围 [1,109]。

输入样例

6
2 3 4 5 6 1

输出样例:

5

分析

  • 判断逆序对数量,即在归并过程中利用ij两个指针判断
  • 如果q[i]>q[j],则之后的q[i]均大于q[j]
  • 即跟q[i]组成逆序对的数量为mid-i+1

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1e6+10;

int a[N],t[N];

long long ans=0;

void merge_sort(int q[],int l,int r){
    if(l==r) return ;
    int mid=l+r>>1;
    merge_sort(q,l,mid);
    merge_sort(q,mid+1,r);
    int k=0,i=l,j=mid+1;
    while(i<=mid&&j<=r){
        if(q[i]<=q[j]) t[k++]=q[i++];
        else{
            t[k++]=q[j++];
            ans+=mid-i+1;
        }
    }
    while(i<=mid) t[k++]=q[i++];
    while(j<=r) t[k++]=q[j++];
    for(int i=l,j=0;i<=r;i++,j++){
        q[i]=t[j];
    }
}

int main(){
    int n;
    cin>>n;
    for(int i=0;i<n;i++){
        cin>>a[i];
    }
    merge_sort(a,0,n-1);
    cout<<ans;
    return 0;
}

1.3 二分


1.3.1 整数二分


思想

  • 对于一个有序区间,要求二分的边界点使得左右区间分别满足某种性质
  • 即对于A点左边的区间和B点右边的区间满足某种性质,AB可重合,也可只在其满足的性质区间内。

模板

bool check(int x){
      //检查x是否满足某种性质,可写可不写,在判断时直接替换
}

//当需要二分的区间为红色区间,所求分界点为A时调用bsearch_1

int bsearch_1(int l,int r){  //l和r为边界
    while(l<r){
        int mid=l+r+1>>1;  //mid下取整,若不补上+1,当l=r-1时,mid=l,若此时恰好check(mid)为true时会死循环
        if(check(mid)) l=mid;  //若为true则说明实际边界在mid右边,故更新左边界为mid
        else r=midr-1;  //否则实际边界在mid左边,且不包含mid
    }
    return l;
}

//当需要二分的区间为绿色区间,所求分界点为B时调用bsearch_2

int bsearch_2(int l,int r){
    while(l<r){
        inr mid=l+r>>1;
        if(check(mid)) r=mid;  //若为true则说明实际边界在mid左边,故更新右边界为mid
        else l=mid+1;  //否则实际边界在mid右边,且不包含mid
    }
    return l;
}

例题 789. 数的范围

原题链接

描述

给定一个按照升序排列的长度为 n 的整数数组,以及 q 个查询。

对于每个查询,返回一个元素 k 的起始位置和终止位置(位置从 0 开始计数)。

如果数组中不存在该元素,则返回 -1 -1。

输入格式
第一行包含整数 n 和 q,表示数组长度和询问个数。

第二行包含 n 个整数(均在 1∼10000 范围内),表示完整数组。

接下来 q 行,每行包含一个整数 k,表示一个询问元素。

输出格式
共 q 行,每行包含两个整数,表示所求元素的起始位置和终止位置。

如果数组中不存在该元素,则返回 -1 -1。

数据范围
1≤n≤100000
1≤q≤10000
1≤k≤10000
输入样例:

6 3
1 2 2 3 3 4
3
4
5

输出样例:

3 4
5 5
-1 -1

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int k,a[100010];

int bsearch_1(int l,int r){
    while(l<r){
        int mid=l+r+1>>1;
        if(a[mid]<=k) l=mid;
        else r=mid-1;
    }
    return l;
}

int bsearch_2(int l,int r){
    while(l<r){
        int mid=l+r>>1;
        if(a[mid]>=k) r=mid;
        else l=mid+1;
    }
    return l;
}

int main(){
    int n,q;
    cin>>n>>q;
    for(int i=0;i<n;i++){
        cin>>a[i];
    }
    while(q--){
        cin>>k;
        if(a[bsearch_1(0,n-1)]==k&&a[bsearch_2(0,n-1)]==k){
            cout<<bsearch_2(0,n-1)<<" "<<bsearch_1(0,n-1)<<endl;
        }
        else cout<<"-1 -1"<<endl;
    }
    return 0;
}

1.3.2 浮点数二分


模板

bool check(int x){
      //检查x是否满足某种性质,可写可不写,在判断时直接替换
}

double bsearch_3(double l,double r){  //l和r为需要二分的区间
    const double rep=1e-10;  //区间精度
    while(r-l>rep){
        double mid=(l+r)/2;
        if(check(mid)) r=mid;  //根据题意更新区间
        else l=mid;  //根据题意更新区间
    }
    return l;
}

例题 790. 数的三次方根

原题链接

描述

给定一个浮点数 n,求它的三次方根。

输入格式
共一行,包含一个浮点数 n。

输出格式
共一行,包含一个浮点数,表示问题的解。

注意,结果保留 6 位小数。

数据范围

−10000≤n≤10000

输入样例:

输入样例:

1000.00

输出样例:

10.000000

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

double n;

double bsearch_3(double l,double r){
    const double rep=1e-10;
    while(r-l>rep){
        double mid=(l+r)/2;
        if(pow(mid,3)>=n) r=mid;
        else l=mid;
    }
    return l;
}

int main(){
    cin>>n;
    printf("%.6lf",bsearch_3(-10000,10000));
    return 0;
}

1.4 高精度


思想

  • 先预处理读入的数据
  • 利用vector容器来模拟高精度运算过程

预处理

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

vector<int> A,B;  //用于存放两个大整数

vector<int> fx(vector<int> &A,vector<int> &B){  //定义运算函数
    //模拟运算过程
}

int main(){
    string a,b;
    cin>>a>>b;  //读入两个大整数

    for(int i=a.size()-1;i>=0;i--) A.push_back(a[i]-'0');  //倒序存储大整数的每一位到A
    for(int i=b.size()-1;i>=0;i--) B.push_back(b[i]-'0');

    vector<int> C=fx(A,B);  //调用运算函数

    for(int i=C.size()-1;i>=0;i--) cout<<C[i];  //输出结果

    return 0;
}

1.4.1 高精度加法


模板

vector<int> add(vector<int> &A,vector<int> &B){
    if(A.size()<B.size()) return add(B,A);  //判断A和B的长度

    int k=0;  //定义进位,初始化为0
    vector<int> C;  //存储答案

    for(int i=0;i<A.size();i++){  //遍历模拟
        k+=A[i];  //进位加A本位
        if(i<B.size()) k+=B[i];  //如果B未遍历完,则加上B本位
        C.push_back(k%10);  //存入答案
        k/=10;  //更新进位
    }

    if(k) C.push_back(k);  //如果最后进位非零,则补上进位

    return C;
}

例题 791. 高精度加法

原题链接

描述

给定两个正整数(不含前导 0),计算它们的和。

输入格式
共两行,每行包含一个整数。

输出格式
共一行,包含所求的和。

数据范围
1≤整数长度≤100000
输入样例:

12
23

输出样例

35

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

vector<int> A,B;

vector<int> add(vector<int> &A, vector<int> &B){
    if(A.size()<B.size()) return add(B,A);
    int k=0;
    vector<int> C;
    for(int i=0;i<A.size();i++){
        k+=A[i];
        if(i<B.size()) k+=B[i];
        C.push_back(k%10);
        k/=10;
    }
    if(k) C.push_back(k);
    return C;
}

int main(){
    string a,b;
    cin>>a>>b;
    for(int i=a.size()-1;i>=0;i--) A.push_back(a[i]-'0');
    for(int i=b.size()-1;i>=0;i--) B.push_back(b[i]-'0');
    vector<int> C=add(A,B);
    for(int i=C.size()-1;i>=0;i--) cout<<C[i];
    return 0;
}

1.4.2 高精度减法


  • 在进行减法运算时,要考虑两个数的大小

模板

bool cmp(vector<int> &A,vector<int> &B){  //比较两个数大小
    if(A.size()!=B.size()) return A.size()>B.size();  //当A和B长度不相等时,A>B返回true
    else{
        for(int i=A.size()-1;i>=0;i--){
            if(A[i]!=B[i]) return A[i]>B[i];  //当从最高位开始遍历到不相等的数时,A[i]>B[i]返回true
        }
    }
    return 1;  //若遍历结束未返回,说明相等,返回true  若返回false,后续处理麻烦
}

vector<int> sub(vector<int> &A,vector<int> &B){
    int k=0;  //定义借位,初始化为0
    vector<int> C;  //存储答案
    for(int i=0;i<A.size();i++){
        int t=A[i]-k;  //A本位减借位
        if(i<B.size()) t-=B[i];  //如果B未遍历完,减B本位
        if(t<0) t+=10,k=1;  //若答案t<0,则t+10,且借位k更新为1
        else k=0;  //否则借位k更新为0
        C.push_back(t%10);  //存入答案
    }
    while(C.size()>1&&C.back()==0) C.pop_back();  //去除前导0
    return C;
}

例题 792. 高精度减法

描述

给定两个正整数(不含前导 0),计算它们的差,计算结果可能为负数。

输入格式
共两行,每行包含一个整数。

输出格式
共一行,包含所求的差。

数据范围
1≤整数长度≤105
输入样例:

32
11

输出样例:

21

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

vector<int> A,B;

bool cmp(vector<int> &A,vector<int> &B){
    if(A.size()!=B.size()) return A.size()>B.size();
    else{
        for(int i=A.size()-1;i>=0;i--){
            if(A[i]!=B[i]) return A[i]>B[i];
        }
    }
    return 1;
}

vector<int> sub(vector<int> &A,vector<int> &B){
    int k=0;
    vector<int> C;
    for(int i=0;i<A.size();i++){
        int t=A[i]-k;
        if(i<B.size()) t-=B[i];
        if(t<0) t+=10,k=1;
        else k=0;
        C.push_back(t%10);
    }
    while(C.size()>1&&C.back()==0) C.pop_back();
    return C;
}

int main(){
    string a,b;
    cin>>a>>b;
    for(int i=a.size()-1;i>=0;i--) A.push_back(a[i]-'0');
    for(int i=b.size()-1;i>=0;i--) B.push_back(b[i]-'0');
    vector<int> C;
    if(cmp(A,B)) C=sub(A,B);  //当A>=B时,答案为0或正值
    else C=sub(B,A),cout<<"-";  //当A<B时,答案为负值
    for(int i=C.size()-1;i>=0;i--) cout<<C[i];
    return 0;
}

1.4.3 高精度乘法


  • 一般为一个大整数乘以A一个小整数b

模板

vector<int> mul(vector<int> &A,int b){
    int k=0;  //定义进位,初始化为0
    vector<int> C;  //存储答案
    for(int i=0;i<A.size();i++){
        k+=A[i]*b;  //进位加A本位乘以b
        C.push_back(k%10);  //存入答案
        k/=10;  //更新进位
    }
    if(k) C.push_back(k);  //如果最后进位非零,则补上进位
    while(C.size()>1&&C.back()==0) C.pop_back();  //去除前导0
    return C;
}

例题 793. 高精度乘法

描述

给定两个非负整数(不含前导 0) A 和 B,请你计算 A×B 的值。

输入格式
共两行,第一行包含整数 A,第二行包含整数 B。

输出格式
共一行,包含 A×B 的值。

数据范围
1≤A的长度≤100000,
0≤B≤10000
输入样例:

2
3

输出样例:

6

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

vector<int> A;

vector<int> mul(vector<int> &A,int b){
    int k=0;
    vector<int> C;
    for(int i=0;i<A.size();i++){
        k+=A[i]*b;
        C.push_back(k%10);
        k/=10;
    }
    if(k) C.push_back(k);
    while(C.size()>1&&C.back()==0) C.pop_back();
    return C;
}

int main(){
    string a;
    int b;
    cin>>a>>b;
    for(int i=a.size()-1;i>=0;i--) A.push_back(a[i]-'0');
    vector<int> C=mul(A,b);
    for(int i=C.size()-1;i>=0;i--) cout<<C[i];
    return 0;
}

1.4.4 高精度除法


  • 一般为一个大整数除以A一个小整数b,求商和余数
  • 进行除法运算时从最高位开始运算,但为保持一致性,仍倒序存储A

模板

vector<int> div(vector<int> &A,int b,int &r){
    vector<int> C;  //存储答案
    r=0;  //初始化余数为0
    for(int i=A.size()-1;i>=0;i--){  //从最高位开始遍历
        int k=r*10+A[i];  //定义除数k为余数r*10加A本位
        C.push_back(k/b);  //存入答案
        r=k%b;  //更新余数
    }
    reverse(C.begin(),C.end());  //由于答案从最高位开始存入,故需翻转
    while(C.size()>1&&C.back()==0) C.pop_back();  //去除前导0
    return C;
}

例题 794. 高精度除法

描述

给定两个非负整数(不含前导 0) A,B,请你计算 A/B 的商和余数。

输入格式
共两行,第一行包含整数 A,第二行包含整数 B。

输出格式
共两行,第一行输出所求的商,第二行输出所求余数。

数据范围
1≤A的长度≤100000,
1≤B≤10000,
B 一定不为 0
输入样例:

7
2

输出样例:

3
1

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

vector<int> A;

vector<int> div(vector<int> &A,int b,int &r){
    vector<int> C;
    r=0;
    for(int i=A.size()-1;i>=0;i--){
        int k=r*10+A[i];
        C.push_back(k/b);
        r=k%b;
    }
    reverse(C.begin(),C.end());
    while(C.size()>1&&C.back()==0) C.pop_back();
    return C;
}

int main(){
    string a;
    int b,r;
    cin>>a>>b;
    for(int i=a.size()-1;i>=0;i--) A.push_back(a[i]-'0');
    vector<int> C=div(A,b,r);
    for(int i=C.size()-1;i>=0;i--) cout<<C[i];
    cout<<endl<<r;
    return 0;
}

1.5 前缀和与差分


1.5.1 一维前缀和与一位差分


思想

  • 对于一个数组a[N]和一个数组b[N],满足b[i] = a[0] + a[1] + a[2] +...+ a[i]
  • 则称b[N]a[N]的一维前缀和数组,称a[N]b[N]的一维差分数组
  • 一维前缀和与一维差分互为逆运算

模板

//给定含有n个元素的差分数组a[N],构造前缀和数组b[N]

for(int i=1;i<=n;i++){
    b[i]=b[i-1]+a[i];
}

//给定含有n个元素的前缀和数组b[N],构造差分数组a[N]

for(int i=1;i>=n;i++){
    a[i]=b[i]-b[i-1];
}

应用及原理

  • 对于一个数组,给定边界lr,可以构造其一维前缀和数组快速求出其区间内元素的
//给定一个数组a[N],构造其前缀和数组为b[N],查询l到r区间的元素和

b[r] = a[0] + a[1] + ... + a[l-1] + a[l] + a[l+1] + ... + a[r-1] + a[r] ;
b[l-1] = a[0] + a[1] + ... + a[l-1] ;

b[r] - b[l-1] = a[l] + a[l+1] + ... + a[r-1] + a[r] ;
  • 对于一个数组,给定边界lr,要求其区间的所有元素加或减一个常数c,通过构造该数组的差分数组来快速完成操作
//给定一个数组a[N],构造其差分数组为b[N],现使得a[N]中l到r区间的所有元素加上c,求操作后的a[N]数组

b[l]+=c;  //通过前缀和运算,a数组变成 a[l] + c + a[l+1] + c + ... + a[n] + c
b[r+1]-=c;  //通过前缀和运算,a数组变成 a[r+1] - c + a[r+2] - c + ... + a[n] - c

for(int i=1;i<=n;i++){
    a[i]=a[i-1]+b[i];  //得到操作后的数组a[N]
}


例题 795. 前缀和

原题链接

描述

输入一个长度为 n 的整数序列。

接下来再输入 m 个询问,每个询问输入一对 l,r。

对于每个询问,输出原序列中从第 l 个数到第 r 个数的和。

输入格式
第一行包含两个整数 n 和 m。

第二行包含 n 个整数,表示整数数列。

接下来 m 行,每行包含两个整数 l 和 r,表示一个询问的区间范围。

输出格式
共 m 行,每行输出一个询问的结果。

数据范围
1≤l≤r≤n,
1≤n,m≤100000,
−1000≤数列中元素的值≤1000
输入样例:

5 3
2 1 3 6 4
1 2
1 3
2 4

输出样例:

3
6
10

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1e6+10;

int a[N],b[N];

int main(){
    int n,q;
    scanf("%d%d",&n,&q);
    for(int i=1;i<=n;i++){
        scanf("%d",&a[i]);
        b[i]=b[i-1]+a[i];
    }
    while(q--){
        int l,r;
        scanf("%d%d",&l,&r);
        printf("%d\n",b[r]-b[l-1]);
    }
    return 0;
}

例题 797. 差分

原题链接

描述

输入一个长度为 n 的整数序列。

接下来输入 m 个操作,每个操作包含三个整数 l,r,c,表示将序列中 [l,r] 之间的每个数加上 c。

请你输出进行完所有操作后的序列。

输入格式
第一行包含两个整数 n 和 m。

第二行包含 n 个整数,表示整数序列。

接下来 m 行,每行包含三个整数 l,r,c,表示一个操作。

输出格式
共一行,包含 n 个整数,表示最终序列。

数据范围
1≤n,m≤100000,
1≤l≤r≤n,
−1000≤c≤1000,
−1000≤整数序列中元素的值≤1000
输入样例:

6 3
1 2 2 1 2 1
1 3 1
3 5 1
1 6 1

输出样例:

3 4 5 3 4 2

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1e6+10;

int a[N],b[N];

int main(){
    int n,m;
    scanf("%d%d",&n,&m);
    for(int i=1;i<=n;i++){
        scanf("%d",&a[i]);
        b[i]=a[i]-a[i-1];
    }
    while(m--){
        int l,r,c;
        scanf("%d%d%d",&l,&r,&c);
        b[l]+=c;
        b[r+1]-=c;
    }
    for(int i=1;i<=n;i++){
        a[i]=a[i-1]+b[i];
        printf("%d ",a[i]);
    }
    return 0;
}

1.5.2 二维前缀和与二维差分


思想

  • 对于一个二维矩阵a[N][N]和一个二维矩阵b[N][N],满足b[i][j]为以a[1][1]为左上角到以a[i][j]为右下角的矩阵中所有元素的和,即b[i][j] = a[1][1] + a[1][2] + ... + a[i][j-1] + a[i][j]

  • 则称b[N][N]a[N][N]的二维前缀和数组,称a[N][N]b[N][N]的二维差分数组

  • 二维前缀和与二维差分互为逆运算

模板

    //给定含有n行m列的二维数组a[N][N],构造其二维前缀和数组b[N][N]
    for(int i=1;i<=n;i++){
        for(int j=1;j<=m;j++){
            b[i][j]=a[i][j]+b[i-1][j]+b[i][j-1]-b[i-1][j-1];
        }
    }

//给定含有n行m列的二维数组b[N][N],构造其二维差分数组a[N][N]
for(int i=1;i<=n;i++){
    for(int j=1;j<=m;j++){
        a[i][j]=b[i][j]-b[i-1][j]-b[i][j-1]+a[i-1][j-1];
    }
}

应用及原理

  • 对于一个二维数组,给定(x1,y1)(x2,y2),求以(x1,y1)为左上角到以(x2,y2)为右下角的子矩阵中所有元素的和
/* 给定一个二维数组a[N][N],构造其二维前缀和数组为b[N][N],给定坐标(x1,y1)和(x2,y2),求以(x1,y1)为左上角到以(x2,y2)为右下角的子矩阵中所有元素的和 */

long long sum=0;

sum = b[x2][y2] - b[x1 - 1][y2] - b[x2][y1 - 1] + b[x1 - 1][y1 - 1];

  • 对于一个二维数组,给定(x1,y1)(x2,y2),对以(x1,y1)为左上角到以(x2,y2)为右下角的子矩阵中的所有元素加或减一个常数c,可通过构造该二维数组的二维差分数组来快速完成操作
/*给定一个二维数组a[N][N],构造其二维差分数组为b[N][N],给定坐标(x1,y1)和(x2,y2),对以(x1,y1)为左上角到以(x2,y2)为右下角的子矩阵中所有元素加或减一个常数c,求操作后的数组a[N][N] */

b[x1][y1]+=c;
b[x1][y2+1]-=c;
b[x2+1][y1]-=c;
b[x2+1][y2+1]+=c

for(int i=1;i<=n;i++){
    for(int j=1;j<=m;j++){
        a[i][j]=b[i][j]+b[i-1][j]+b[i][j-1]-b[i-1][j-1];  //得到操作后的数组a[N][N]
    }
}

b[x1][y1]+=c 对应图1 ,让整个a数组中蓝色矩形面积的元素都加上了c。
b[x1][y2+1]-=c 对应图2 ,让整个a数组中绿色矩形面积的元素再减去c,使其内元素不发生改变。
b[x2+1][y1]-=c 对应图3 ,让整个a数组中紫色矩形面积的元素再减去c,使其内元素不发生改变。
b[x2+1][y2+1]+=c 对应图4,,让整个a数组中红色矩形面积的元素再加上c,红色内的相当于被减了两次,再加上一次c,才能使其恢复。


例题 796. 子矩阵的和

原题链接

描述

输入一个 n 行 m 列的整数矩阵,再输入 q 个询问,每个询问包含四个整数 x1,y1,x2,y2,表示一个子矩阵的左上角坐标和右下角坐标。

对于每个询问输出子矩阵中所有数的和。

输入格式
第一行包含三个整数 n,m,q。

接下来 n 行,每行包含 m 个整数,表示整数矩阵。

接下来 q 行,每行包含四个整数 x1,y1,x2,y2,表示一组询问。

输出格式
共 q 行,每行输出一个询问的结果。

数据范围
1≤n,m≤1000,
1≤q≤200000,
1≤x1≤x2≤n,
1≤y1≤y2≤m,
−1000≤矩阵内元素的值≤1000
输入样例:

3 4 3
1 7 2 4
3 6 2 8
2 1 2 3
1 1 2 2
2 1 3 4
1 3 3 4

输出样例:

17
27
21

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1010;

int a[N][N],b[N][N];

int main(){
    int n,m,q;
    scanf("%d%d%d",&n,&m,&q);
    for(int i=1;i<=n;i++){
        for(int j=1;j<=m;j++){
            scanf("%d",&a[i][j]);
            b[i][j]=a[i][j]+b[i-1][j]+b[i][j-1]-b[i-1][j-1];
        }
    }
    while(q--){
        int x1,y1,x2,y2;
        scanf("%d%d%d%d",&x1,&y1,&x2,&y2);
        printf("%d\n",b[x2][y2]-b[x1-1][y2]-b[x2][y1-1]+b[x1-1][y1-1]);
    }
    return 0;
}

例题 798. 差分矩阵

原题链接

描述

输入一个 n 行 m 列的整数矩阵,再输入 q 个操作,每个操作包含五个整数 x1,y1,x2,y2,c,其中 (x1,y1) 和 (x2,y2) 表示一个子矩阵的左上角坐标和右下角坐标。

每个操作都要将选中的子矩阵中的每个元素的值加上 c。

请你将进行完所有操作后的矩阵输出。

输入格式
第一行包含整数 n,m,q。

接下来 n 行,每行包含 m 个整数,表示整数矩阵。

接下来 q 行,每行包含 5 个整数 x1,y1,x2,y2,c,表示一个操作。

输出格式
共 n 行,每行 m 个整数,表示所有操作进行完毕后的最终矩阵。

数据范围
1≤n,m≤1000,
1≤q≤100000,
1≤x1≤x2≤n,
1≤y1≤y2≤m,
−1000≤c≤1000,
−1000≤矩阵内元素的值≤1000
输入样例:

3 4 3
1 2 2 1
3 2 2 1
1 1 1 1
1 1 2 2 1
1 3 2 3 2
3 1 3 4 1

输出样例:

2 3 4 1
4 3 4 1
2 2 2 2

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1010;

int a[N][N],b[N][N];

int main(){
    int n,m,q;
    scanf("%d%d%d",&n,&m,&q);
    for(int i=1;i<=n;i++){
        for(int j=1;j<=m;j++){
            scanf("%d",&a[i][j]);
            b[i][j]=a[i][j]-a[i-1][j]-a[i][j-1]+a[i-1][j-1];
        }
    }
    while(q--){
        int x1,y1,x2,y2,c;
        scanf("%d%d%d%d%d",&x1,&y1,&x2,&y2,&c);
        b[x1][y1]+=c;
        b[x1][y2+1]-=c;
        b[x2+1][y1]-=c;
        b[x2+1][y2+1]+=c;
    }
    for(int i=1;i<=n;i++){
        for(int j=1;j<=m;j++){
            a[i][j]=b[i][j]+a[i-1][j]+a[i][j-1]-a[i-1][j-1];
            printf("%d ",a[i][j]);
        }
        puts("");
    }
    return 0;
}

1.6 双指针算法


思想

  • O(n^2)的朴素算法优化到O(n)

  • 优化方法可以先朴素求解,然后找到两个指针的单调关系进行优化

模板

//常用模板
for(int i=0,j=0;i<n;i++){
    while(check(i,j)) j++;
    //题目逻辑
}

//对于一个序列,用两个指针维护一段区间
//对于两个序列,维护某种次序,比如归并排序中合并两个有序序列的操作

例题 799. 最长连续不重复子序列

原题链接

描述

给定一个长度为 n 的整数序列,请找出最长的不包含重复的数的连续区间,输出它的长度。

输入格式
第一行包含整数 n。

第二行包含 n 个整数(均在 0∼105 范围内),表示整数序列。

输出格式
共一行,包含一个整数,表示最长的不包含重复的数的连续区间的长度。

数据范围
1≤n≤105
输入样例:

5
1 2 2 3 5

输出样例:

3

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1e5+10;

int a[N],b[N];

int main(){
    int n,ans=0;
    scanf("%d",&n);
    for(int i=0;i<n;i++) scanf("%d",&a[i]);

    for(int i=0,j=0;i<n;i++){
        b[a[i]]++;  //先使i指针向右移动,并记录目前区间里元素的个数
        while(b[a[i]]>1){  //出现重复数字则开始将j指针向右移动,直到区间元素唯一
            b[a[j]]--;
            j++;
        }
        ans=max(ans,i-j+1);  //更新区间长度
    }
    printf("%d",ans);
    return 0;
}

例题

原题链接

描述

给定两个升序排序的有序数组 A 和 B,以及一个目标值 x。

数组下标从 0 开始。

请你求出满足 A[i]+B[j]=x 的数对 (i,j)。

数据保证有唯一解。

输入格式
第一行包含三个整数 n,m,x,分别表示 A 的长度,B 的长度以及目标值 x。

第二行包含 n 个整数,表示数组 A。

第三行包含 m 个整数,表示数组 B。

输出格式
共一行,包含两个整数 i 和 j。

数据范围
数组长度不超过 105。
同一数组内元素各不相同。
1≤数组元素≤109
输入样例:

4 5 6
1 2 4 7
3 4 6 8 9

输出样例:

1 1

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1e5+10;

int a[N],b[N];

int main(){
    int n,m,k;
    scanf("%d%d%d",&n,&m,&k);
    for(int i=0;i<n;i++) scanf("%d",&a[i]);
    for(int i=0;i<m;i++) scanf("%d",&b[i]);

    for(int i=0,j=m-1;i<n;i++){
        while(a[i]+b[j]>k) j--;
        if(a[i]+b[j]==k){
            printf("%d %d",i,j);
            return 0;
        }
    }
    return 0;
}

例题 2816. 判断子序列

原题链接

描述

给定一个长度为 n 的整数序列 a1,a2,…,an 以及一个长度为 m 的整数序列 b1,b2,…,bm。

请你判断 a 序列是否为 b 序列的子序列。

子序列指序列的一部分项按原有次序排列而得的序列,例如序列 {a1,a3,a5} 是序列 {a1,a2,a3,a4,a5} 的一个子序列。

输入格式
第一行包含两个整数 n,m。

第二行包含 n 个整数,表示 a1,a2,…,an。

第三行包含 m 个整数,表示 b1,b2,…,bm。

输出格式
如果 a 序列是 b 序列的子序列,输出一行 Yes。

否则,输出 No。

数据范围
1≤n≤m≤105,
−109≤ai,bi≤109
输入样例:

3 5
1 3 5
1 2 3 4 5

输出样例:

Yes

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1e5+10;

int a[N],b[N];

int main(){
    int n,m;
    scanf("%d%d",&n,&m);
    for(int i=0;i<n;i++) scanf("%d",&a[i]);
    for(int i=0;i<m;i++) scanf("%d",&b[i]);

    for(int i=0,j=0;j<m;j++){
        if(a[i]==b[j]) i++;
        if(i==n){
            printf("Yes");
            return 0;
        }
    }
    printf("No");
    return 0;
} 

1.7 位运算


运算符及运算规则

&  //与运算
0 & 0 = 0 ;
0 & 1 = 0 ;
1 & 0 = 0 ;
1 & 1 = 1 ;

|  //或运算
0 | 0 = 0 ;
0 | 1 = 1 ;
1 | 0 = 1 ;
1 | 1 = 1 ;

~  //取反运算
~ 0 = 1 ;
~ 1 = 0 ;

^  //异或运算
0 ^ 0 = 0 ;
0 ^ 1 = 1 ;
1 ^ 0 = 1 ;
1 ^ 1 = 0 ;

>> //右移运算
n >> k  //表示 n / 2^k 

<<  //左移运算
n << k  //表示 n * 2*k

常用模板

//求x的第k位数字
x >> k & 1 ;

//求x的最后一位1
x & -x ;

例题 二进制中1的个数

原题链接

描述

给定一个长度为 n 的数列,请你求出数列中每个数的二进制表示中 1 的个数。

输入格式
第一行包含整数 n。

第二行包含 n 个整数,表示整个数列。

输出格式
共一行,包含 n 个整数,其中的第 i 个数表示数列中的第 i 个数的二进制表示中 1 的个数。

数据范围
1≤n≤100000,
0≤数列中元素的值≤109
输入样例:

5
1 2 3 4 5

输出样例:

1 1 2 1 2

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

void solve(){

    int n; cin >> n;
    int cnt = 0;
    while(n){
        cnt += n & 1;
        n >>= 1;
    }

    cout << cnt << ' ';

}

int main(){

    int _; cin >> _;

    while(_ --) solve();

    return 0;

}

1.8 离散化


思想

  • 对于值域很大,数据量很小的情况下,将值作为映射来节省空间
  • 将所有数据进行排序后去重
  • 利用二分得到原数值所对应的映射下标

模板

vector<int> nums;  //预先存入要映射的值

sort(nums.begin(),nums.end());  //对数据进行排序
erase(unique(nums.begin(),nums.end()),nums.end());  //去重并删除重复的元素

int find(int x){  //二分查找
    int l=0,r=nums.size()-1;
    while(l<r){
        int mid=l+r>>1;
        if(nums[mid]>=x) r=mid;
        else l=mid+1;
    }
    return l;  //返回映射的下标
}

例题 802.区间和

原题链接

描述

假定有一个无限长的数轴,数轴上每个坐标上的数都是 0。

现在,我们首先进行 n 次操作,每次操作将某一位置 x 上的数加 c。

接下来,进行 m 次询问,每个询问包含两个整数 l 和 r,你需要求出在区间 [l,r] 之间的所有数的和。

输入格式
第一行包含两个整数 n 和 m。

接下来 n 行,每行包含两个整数 x 和 c。

再接下来 m 行,每行包含两个整数 l 和 r。

输出格式
共 m 行,每行输出一个询问中所求的区间内数字和。

数据范围
−109≤x≤109,
1≤n,m≤105,
−109≤l≤r≤109,
−10000≤c≤10000
输入样例:

3 3
1 2
3 6
7 5
1 3
4 6
7 8

输出样例:

8
0
5

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=1e6+10;

int a[N],b[N];  //a[N]用于初始化加入操作,b[N]用于初始化前缀和

vector<int> nums;  //用于存放需要映射的数

vector<pair<int,int>> add,q;  //存放加入操作和询问操作

int find(int x){  //处理映射
    int l=0,r=nums.size()-1;
    while(l<r){
        int mid=l+r>>1;
        if(nums[mid]>=x) r=mid;
        else l=mid+1;
    }
    return l+1;  //由于前缀和从i=1开始,返回下标l+1
}

int main(){
    int n,m;
    cin>>n>>m;

    for(int i=0;i<n;i++){
        int x,c;
        cin>>x>>c;
        add.push_back({x,c});  //记录加入操作的下标x和加入的数c
        nums.push_back(x);  //将下标x存入处理映射的数组
    }

    for(int i=0;i<m;i++){
        int l,r;
        cin>>l>>r;
        q.push_back({l,r});  //记录询问操作的两个边界
        nums.push_back(l);  //将边界下标存入处理映射的数组
        nums.push_back(r);
    }

    sort(nums.begin(),nums.end());  //排序需要处理映射数组里的元素
    nums.erase(unique(nums.begin(),nums.end()),nums.end());  //去掉重复元素

    for(int i=0;i<add.size();i++){
        a[find(add[i].first)]+=add[i].second;  //进行处理映射的加入操作,
    }

    for(int i=1;i<=nums.size();i++) b[i]=b[i-1]+a[i];  //初始化前缀和数组

    for(int i=0;i<q.size();i++){  
        cout<<b[find(q[i].second)]-b[find(q[i].first)-1]<<endl;  //输出询问
    }

    return 0;
}

离散化排序质数

例题 素数的排位

描述

小明在研究素数,已知素数序列为2、3、5、7、……,即第一个素数是2,第二个是3,……。他为搞清一些素数究竟在素数集合中排名老几,伤透了脑筋。还是请你帮他编个程序搞定吧,否则,他慢腾腾慢腾腾地数,数到什么时候去?

输入格式

多实例测试,每次输入为一个正整数N(1≤N≤1000000)

输出格式

运行结果每个数占1行,结果中的每个数是输入的正整数在素数集合中的排位。如果输入的不是素数(这太有可能了),那就输出一个0表示。

输入样例

2
6
4
5
13

输出样例

1
0
0
3
6

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

//欧拉筛筛选一定范围的质数,并存入数组

const int maxn=1e6+10;  //筛选的质数范围

vector<bool>iscut(maxn + 1);  //筛选标记,true-被筛掉,false-未筛除
vector<int>prime;  //存储素数的容器

void Primes(int n){

    for(int i=2;i<=n;i++)
    {
        if(!iscut[i])  //iscut[i]=false,即i未被筛掉,加入素数
            prime.push_back(i);
        for(int j=0;j<prime.size();j++)
        {
            if(i*prime[j]>n)  //防越界
                break;
            iscut[i*prime[j]]=true;  //把i的质数倍筛除
            if(i%prime[j]==0)  //*判断最小质因数,防止重复筛除
                break;
        }
    }
}

int main(){

    Primes(maxn);  //初始化质数表

    int n;

    while(cin>>n){
        int l=0,r=prime.size()-1;  //二分查找该数是否存在于质数表中
        while(l<r){
            int mid=l+r>>1;
            if(prime[mid]>n) r=mid;
            else l=mid+1;
        }

        if(prime[l-1]==n) cout<<l<<endl;
        else cout<<0<<endl;

    }

    return 0;

}

1.9 区间合并


思想

  • 目的合并有交集的区间,对于给定的区间端点,对左端点进行排序
  • 维护当前区间,当下一个区间左端点大于等于当前区间左端点时,只需判断下一个区间的右端点,并更新区间
  • 如果下一个区间的左端点大于当前维护区间的右端点,则更新区间为该区间

例题 803.区间合并

原题链接

描述

给定 n 个区间 [li,ri],要求合并所有有交集的区间。

注意如果在端点处相交,也算有交集。

输出合并完成后的区间个数。

例如:[1,3] 和 [2,6] 可以合并为一个区间 [1,6]。

输入格式
第一行包含整数 n。

接下来 n 行,每行包含两个整数 l 和 r。

输出格式
共一行,包含一个整数,表示合并区间完成后的区间个数。

数据范围
1≤n≤100000,
−109≤li≤ri≤109
输入样例:

5
1 2
2 4
5 6
7 8
7 9

输出样例:

3

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

vector<pair<int,int>> a;  //用于存放区间两个边界

long long ans=1;  //初始化答案

bool cmp(pair<int,int> &p1,pair<int,int> &p2){  //重载比较函数
    return p1.first<p2.first;
}

int main(){
    int n,ll,rr;
    cin>>n;
    for(int i=0;i<n;i++){
        int l,r;
        cin>>l>>r;
        a.push_back({l,r});  //存入边界
    }

    sort(a.begin(),a.end(),cmp);  //对左端点排序

    ll=a[0].first,rr=a[0].second;  //初始化维护区间的左右端点
    for(int i=1;i<a.size();i++){
        if(a[i].first<=rr) rr=max(rr,a[i].second);  //若下一个区间左端点小于等于当前区间右端点,则更新右端点
        else{  //否则更新区间,ans++
            ll=a[i].first;
            rr=a[i].second;
            ans++;
        }
    }

    cout<<ans;

    return 0;
}

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