FHQ简要笔记

前言

原文写于 XJ 集训day2 2020.1.19.

现在想想那时候连模板都还没写，只是刚刚理解就在那里瞎yy……之前果然还是太幼稚了。

今天刷训练指南发现全是 Treap 和 Splay ，不想写 所以就来重写这个坑。

普通平衡树模板

基本思想：通过对平衡树进行分割（split）和合并（merge）完成维护平衡。

基本操作：插入，删除，查询排名，查询数值，求前驱，求后继

高级操作：可持久化，区间操作

显然我们是要维护一组数据。对于这组数据，每个点的值就是这棵平衡树的点权。根据基本性质，从点权角度看这棵树，满足二叉搜索树(BST)

然后 FHQ-Treap 还有一个附加值来维护平衡，这个值通常是随机出来的，且整棵树的附加值满足堆的性质。

有一说一，FHQ这样函数封装的是真的舒服……那我就直接讲函数好了。

模板题

1. 基本操作

struct FHQTreap
{
    int l,r,val,rnd,siz;
}tr[N];
int cnt=0,rt=0,tx,ty,tz;
void update( int x )            //用左右子树的大小更新父节点子树大小
{
    tr[x].siz=1+tr[tr[x].l].siz+tr[tr[x].r].siz;
}
int new_node( int val )            //新建一个节点（或者说 Treap ）
{
    tr[++cnt].siz=1; tr[cnt].val=val; tr[cnt].rnd=rand(); return cnt;
}

1. Split

这个函数用途是按照某个方式分割一棵 Treap.

首先是按照权值的写法：

如果当前点的权值不大于 k ，根据二叉搜索树的性质，答案节点肯定在右子树里面。那么就将当前节点给分裂之后的“左树”\(x\) ，递归分割右子树。

如果当前节点权值大于 k，那么就同理赋值并递归分割左子树。

最后不要忘记 update。

void split( int now,int k,int &x,int &y )
{   //split a Treap by val
    if ( !now ) { x=y=0; return; }
    if ( tr[now].val<=k ) x=now,split( tr[now].r,k,tr[now].r,y );
    //now比k小，左子树+根节点→x，递归分割右子树
    else y=now,split( tr[now].l,k,x,tr[now].l );
    update( now );
}

然后是按照排名的写法：

如果 k 不大于左子树大小，那么就是在左子树或者根节点，递归分割左子树；否则递归分割右子树，不过排名 k 要减去左子树大小和根节点。

void split( int now,int k,int &x,int &y )
{
    if ( !now ) { x=y=0; return; }
    if ( k<=tr[tr[now].l].siz ) y=now,split( tr[now].l,k,x,tr[now].l );
    else x=now,split( tr[now].r,k-tr[tr[now].l].size-1,tr[now].r,y );
    update( now );
}

2. Merge

顾名思义，就是合并两棵 Treap.

首先要保证 (x,y) 的顺序满足二叉搜索树的性质，所以merge的时候要注意顺序。

其次还要考虑附加值的堆性质。如果 \(x\) 的 rnd 比 \(y\) 大，那么说明在 “堆” 里面 \(x\) 应该是根节点，所以就递归，把 \(x\) 的右子树和 \(y\) 合并并更新 \(x\) .反之亦然。

int merge( int x,int y )
{
    if ( !x || !y ) return x+y;
    if ( tr[x].rnd<tr[y].rnd )
    {    //make y -> x's right child
        tr[x].r=merge( tr[x].r,y ); update( x ); return x;
    }
    else
    {   //make x -> y's left child
        tr[y].l=merge( x,tr[y].l ); update( y ); return y;
    }
}

3. Kth

相当于一个查询操作，询问第 k 个权值。

如果当前的 k 不大于左子树大小，那么就递归左子树；

如果正好等于左子树+1（也就是比它小的数的个数+1，就是它本身），那么就算找到了，返回；

否则和排名 split 类似，减去左子树大小和根节点，递归右子树。

这里采用 while 替代递归。

int get_kth( int now,int k )
{
    while ( 1 )
    {
        if ( k<=tr[tr[now].l].siz ) now=tr[now].l;
        //k<=tr[l].size,the node must be in the left subtree
        else if ( k==tr[tr[now].l].siz+1 ) return now;
        //the kth node is exactly tree 'now'
        else k-=tr[tr[now].l].siz+1,now=tr[now].r;
        //k-=left subtree's size and 1 for the root,then search in the right subtree
    }
}

4. 基本查询

插入

按照权值分割，然后合并左树和新节点，再和右树合并。

        if ( opt==1 )           //insert
        {
            split( rt,x,tx,ty ); rt=merge( merge(tx,new_node(x)),ty );
        }

删除

先按照权值 \(x\) 分割，然后再把小于 \(x\) 的部分分割出来，对于剩下的就是等于 \(x\) 的部分。这部分由于是删除一个节点（但是实际会有多个重复的点），所以直接忽略根节点合并左右子树即可。最后再和之前分出来的两部分合并，注意顺序。

（其实还有一种方法是同时在一个节点里面记录出现次数，删除减一即可）

（重复节点对 FHQ 是没有大问题的……但是对于伸展树嘛……初始节点一定要放啊……）

        if ( opt==2 )               //delete
        {
            split( rt,x,tx,tz ); split( tx,x-1,tx,ty );
            ty=merge( tr[ty].l,tr[ty].r ); rt=merge( merge(tx,ty),tz );
        }

根据值求排名

分割出左子树，然后左子树 siz +1 即可（原因自己读题）

        if ( opt==3 )               //get rank by val
        {
            split( rt,x-1,tx,ty ); printf( "%d\n",tr[tx].siz+1 ); rt=merge( tx,ty );
        }

Kth

        if ( opt==4 ) printf( "%d\n",tr[get_kth(rt,x)].val );               //get val by rank

求前驱

        if ( opt==5 )           //get pre node
        {
            split( rt,x-1,tx,ty );
            printf( "%d\n",tr[get_kth(tx,tr[tx].siz)].val );
            rt=merge( tx,ty );
        }

求后继

        if ( opt==6 )           //get suf node
        {
            split( rt,x,tx,ty );
            printf( "%d\n",tr[get_kth(ty,1)].val );
            rt=merge( tx,ty );
        }

文艺平衡树

模板题

题目要求是翻转区间，意思就是要支持区间操作（

代码可以直接在普通平衡树上面修改得到，这里只放一些不同的部分。

0. 【Important】Reverse

针对这道题的区间翻转操作，就是对 tag 进行修改。

主要这里涉及到了如何把一个区间抠出来进行操作。

思想很简单，就是把右端点 r 右边的分开，左端点之前的分开，然后对中间这段进行操作即可。

void reverse( int l,int r )
{
    int t1,t2,t3,t4;
    split( rt,r,t1,t2 ); split( t1,l-1,t3,t4 );
    tr[t4].mark^=1; rt=merge( merge( t3,t4 ),t2 );
}

1. 基本操作

就是给原来的结构体加了翻转的 tag。

struct FHQTreap
{
    int l,r,val,rnd,siz,mark;
}tr[N];

2. Pushdown

类似线段树的标记下传。

void pushdown( int x )
{
    if ( x && tr[x].mark )
    {
        tr[x].mark=0; swap( tr[x].l,tr[x].r );
        if ( tr[x].l ) tr[tr[x].l].mark^=1;
        if ( tr[x].r ) tr[tr[x].r].mark^=1;
    }
}

3. Merge

合并操作中增加pushdown.

int merge( int x,int y )
{
    if ( !x || !y ) return x+y;
    pushdown( x ); pushdown( y );
    if ( tr[x].rnd<tr[y].rnd )
    {    //make y -> x's right child
        tr[x].r=merge( tr[x].r,y ); update( x ); return x;
    }
    else
    {   //make x -> y's left child
        tr[y].l=merge( x,tr[y].l ); update( y ); return y;
    }
}

4. Split

由于是要翻转区间，所以一定要按照子树大小分割了。

记得下传。

void split( int now,int k,int &x,int &y )
{
    if ( !now ) { x=y=0; return; }
    pushdown( now );
    if ( k<=tr[tr[now].l].siz ) y=now,split( tr[now].l,k,x,tr[now].l );
    else x=now,split( tr[now].r,k-tr[tr[now].l].siz-1,tr[now].r,y );
    update( now );
}

5. Build

新增的建树函数。总体结构类似线段树建树。

int build( int l,int r )
{
    if ( l>r ) return 0;
    int mid=(l+r)>>1,val=mid;
    int now=new_node( val );
    tr[now].l=build( l,mid-1 ); tr[now].r=build( mid+1,r );
    update( now );
    return now;
}

6. 输出

这个是针对这道题的……就是中序遍历输出。

void dfs( int x )
{
    if ( !x ) return;
    pushdown( x );
    dfs( tr[x].l );
    printf( "%d ",tr[x].val );
    dfs( tr[x].r );
}