🧠差分算法
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2023-4-11
2023-11-23
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差分介绍

差分是一种常见的算法,用于快速修改数组中某一段区间的值
差分的思想就是预处理出数组的差分数组,然后修改区间时,只需要修改两个位置的值,即可快速完成区间修改。最后再通过差分数组求出原数组。 差分数组 d_i 表示原数组中相邻两个元素之间的差值,即,其中 a_i 表示原数组中第 i 个元素的值。则对于区间 [l,r] 的加上 k 的操作,可以表示为: 这样就完成了区间加 k 的操作。最后只需要用差分数组求出原数组即可。

差分应用

区间加

以区间加为例,设 a_i 表示原数组中第 i 个元素的值,d_i 表示差分数组中第 i 个元素的值,则对于区间 [l,r] 的加上 k 的操作,可以表示为: 最后只需要用差分数组求出原数组即可:以下是区间加的代码实现:

区间求和

另一种常见的操作是区间求和。设 a_i 表示原数组中第 i 个元素的值,d_i 表示差分数组中第 i 个元素的值,则对于区间 [l,r] 的求和操作,可以表示为:这样就能用差分数组快速求出区间和了。 以下是区间求和的代码实现:

总结

差分是一种常见的算法,用于快速修改数组中某一段区间的值。差分的思想就是预处理出数组的差分数组,然后修改区间时,只需要修改两个位置的值,即可快速完成区间修改。最后再通过差分数组求出原数组。差分算法在区间加、区间求和等问题中都有广泛的应用。

3729. 改变数组元素

题目要求:初始给你一个全为0的序列,给你一组数据,其中每一个数组a[i]=n表示对自 i 开始的的前面n个元素全都都变为1,已经是1的不予理会,求得操作完成后的数列的值。
示例:
操作后:

对于【2】位置,它的值为3,意味着自位置 2开始,前3个元素全部都变为1,则:
差分数组:[0]=1,[3]=-1。
我们根据差分数组转换为原数组:1到3的元素就是 1 1 0,这样我们就成功的利用差分数组改变了原数组的值。
因此对于每一个位置的值,我们对差分进行操作,b[l]+=1,b[r]-=1,最后利用差分数组转换为原数组。
注意几个地方:
  1. 如果根据所给的值得到对差分数组操作的 l 与r? 假设我们的值为x,则左端点为 i-x+1,右端点为 i
  1. x必须取 i 和 x 的最小者,原因是即使 x大于i,则 i-x会得到一个负值,我们使得x=i,那么这样的话就是默认左端点为1开始
  1. 只需对差分数组进行操作
  1. 根据差分数组反推出原数组
  1. 我们只需要得到每一个位置的值是0还是1即可,对于原数组我们根据其值进行两次 !!的操作,这个操作可以使得 0值仍然是0值,任意非零值都是1
  1. 注意清空差分数组的元素值。

100. 增减序列

题目要求:每次对某个区间进行操作可以选择整体加1,或者整体减1,使得整个数列的值全部相等,求得最少操作次数与最少操作次数对应的整个数列值的不同方案。

操作后得:
最少操作次数为2,即我们把 1到2的1整体加1,即可得到全部为2;把3到4的2整体减1,可以得到全部为1,这两种操作的最少操作次数都是1次,对应的方案数有两种

如果我们要想把全部的数列的值都变为唯一的值,则它对应的差分数组的值一定是:
即b[1]=num,往后每一个 b的值都为0,这样我们就得到了一个全部值都相同的原数组。
因此我们该如何构造一个这样的差分数组呢?
  1. 只有首元素不为零
  1. 差分数组中 2到n的全部元素都为0
可以发现:
  • 最少操作次数:把差分数组变为上面的情况的最少操作次数
  • 对应的方案数:因此就是求 b[1] 有多少种方案,就是数列中不同的值的种类

则在区间【2,n】中:
由于差分数组中值有正有负,因此我们根据贪心的思路:
每次选择两个符号不同的数值,一个加1,一个减1,这样就能用最少的次数将正负两个符号不同的数字相消
我们规定pos为差分数组中所有正数的和,neg为所有负数的绝对值的和
min(pos,neg)就是正数与负数进行相消的方案数,然后使得数列中所有的值都是相同符号
假设差分数组为:
2 5 -2 3 -1
pos=8,neg=3,则我们经过 min(8,3)=3,即经过了三次操作使得所有的负数都消失:
2 3 0 2 0 (两个负数一个加2,一个加1,对应其他位置一个减2,一个减1)
然后我们得到了全部都是符号相同的序列,下一步我们就是把【2,n】中所有的符号相同的数相消,使得数列中只留下【1】位置的值,则对于【2,n】中的数字可以有两种方案进行相消:
  • 与【1】位置的值进行相消,此时会改变【1】的值
  • 与【n+1】位置的值进行相消,此时不会改变【1】的值,【n+1】位置的值无意义。
因此我们再经过 |pos-neg|次操作使得所有的【2,n】位置的元素全部变为0,对于最少操作次数,选择两种方案都是一样的,因此最少操作次数为:
如果要统计对应的最少操作次数的方案数:则一定是 |pos-neg|+1
上面相同符号进行相消配对的时候,选择 |pos-neg| 个与[1]匹配,则[1]改变,可以造成|pos-neg|个[1]的不同情况;另外选择[n+1],则[1]不变,可以造成1种[1]的情况。 因此最终的组合数就是 |pos-neg|+1

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