記筆記記筆記 RMQ ST演算法

2021-07-16 12:06:48 字數 2031 閱讀 7087

1. 概述

rmq(range minimum/maximum query),即區間最值查詢,是指這樣乙個問題:對於長度為n的數列a,回答若干詢問rmq(a,i,j)(i,j<=n),返回數列a中下標在i,j之間的最小/大值。這兩個問題是在實際應用中經常遇到的問題,下面介紹一下解決這兩種問題的比較高效的演算法。當然,該問題也可以用線段樹(也叫區間樹)解決,演算法複雜度為:o(n)~o(logn),這裡我們暫不介紹。

2.rmq演算法

對於該問題,最容易想到的解決方案是遍歷,複雜度是o(n)。但當資料量非常大且查詢很頻繁時,該演算法無法在有效的時間內查詢出正解。

(一)首先是預處理,用動態規劃(dp)解決。

設a[i]是要求區間最值的數列,f[i, j]表示從第i個數起連續2^j個數中的最大值。(dp的狀態)

例如:a數列為:3 2 4 5 6 8 1 2 9 7

f[1,0]表示第1個數起,長度為2^0=1的最大值,其實就是3這個數。同理 f[1,1] = max(3,2) = 3, f[1,2]=max(3,2,4,5) = 5,f[1,3] = max(3,2,4,5,6,8,1,2) = 8;

並且我們可以容易的看出f[i,0]就等於a[i]。(dp的初始值)

這樣,dp的狀態、初值都已經有了,剩下的就是狀態轉移方程。

我們把f[i,j]平均分成兩段(因為f[i,j]一定是偶數個數字),從 i 到i + 2 ^ (j - 1) - 1為一段,i + 2 ^ (j - 1)到i + 2 ^ j - 1為一段(長度都為2 ^ (j - 1))。用上例說明,當i=1,j=3時就是3,2,4,5 和 6,8,1,2這兩段。f[i,j]就是這兩段各自最大值中的最大值。於是我們得到了狀態轉移方程f[i, j]=max(f[i,j-1], f[i + 2^(j-1),j-1])。

**如下:

void rmq(int num) //預處理->o(nlogn)

}

這裡我們需要注意的是迴圈的順序,我們發現外層是j,內層所i,這是為什麼呢?可以是i在外,j在內嗎?

答案是不可以。因為我們需要理解這個狀態轉移方程的意義。

狀態轉移方程的含義是:先更新所有長度為f[i,0]即1個元素,然後通過2個1個元素的最值,獲得所有長度為f[i,1]即2個元素的最值,然後再通過2個2個元素的最值,獲得所有長度為f[i,2]即4個元素的最值,以此類推更新所有長度的最值。

而如果是i在外,j在內的話,我們更新的順序就是f[1,0],f[1,1],f[1,2],f[1,3],表示更新從1開始1個元素,2個元素,4個元素,8個元素(a[0],a[1],....a[7])的最值,這裡f[1,3] = max(max(a[0],a[1],a[2],a[3]),max(a[4],a[5],a[6],a[7]))的值,但是我們根本沒有計算max(a[0],a[1],a[2],a[3])和max(a[4],a[5],a[6],a[7]),所以這樣的方法肯定是錯誤的。

為了避免這樣的錯誤,一定要好好理解這個狀態轉移方程所代表的含義。

(二)然後是查詢。

假如我們需要查詢的區間為(i,j),那麼我們需要找到覆蓋這個閉區間(左邊界取i,右邊界取j)的最小冪(可以重複,比如查詢5,6,7,8,9,我們可以查詢5678和6789)。

因為這個區間的長度為j - i + 1,所以我們可以取k=log2( j - i + 1),則有:rmq(a, i, j)=max。

舉例說明,要求區間[2,8]的最大值,k = log2(8 - 2 + 1)= 2,即求max(f[2, 2],f[8 - 2 ^ 2 + 1, 2]) = max(f[2, 2],f[5, 2]);

在這裡我們也需要注意乙個地方,就是《運算子和+-運算子的優先順序。

比如這個表示式:5 - 1 << 2是多少?

答案是:4 * 2 * 2 = 16。所以我們要寫成5 - (1 << 2)才是5-1 * 2 * 2 = 1。

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