基于樹狀數(shù)組的逆序數(shù)計(jì)算方法

周 娟，曹義親，謝 昕

（華東交通大學(xué)1.軟件學(xué)院；2.信息學(xué)院，江西南昌 330013）

n個(gè)數(shù)的置換a[1]，a[2]，…，a[n]也稱為排列或數(shù)組[1-2]，若i＜j且a[i]＞a[j]，則稱（a[i]，a[j]）是一個(gè)逆序?qū)?。置換中的逆序?qū)Φ膫€(gè)數(shù)稱為置換的逆序數(shù)[1，3]。逆序數(shù)是奇數(shù)的置換叫奇置換，否則叫偶置換。逆序數(shù)一般分成n個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算。令t[i]表示逆序?qū)Γ╝[j]，i）的個(gè)數(shù)，即排在i的左邊且比i大的數(shù)的個(gè)數(shù)，則逆序數(shù)為t[1]+t[2]+…+t[n]。文[4]中利用輪換和歸并排序計(jì)算奇偶性。一般來說，t[i]的計(jì)算方法是：設(shè)置1個(gè)全0的排列c[1]，c[2]，…，c[n]，對(duì)大于i的數(shù)a[j]，將c[j]置為1，設(shè)i在位置p，計(jì)算位置p左邊1的個(gè)數(shù)就是t[i]，然后置c[p]＝1，下一步計(jì)算t[i-1]。

例1 設(shè)n=8，a={3，2，1，5，8，4，6，7}，則t[1]=2，t[2]=1，t[3]=0，t[4]=2，t[5]=0，t[6]=t[7]=1，t[8]=0。上述方法的時(shí)間復(fù)雜度是n2。本文提出一種復(fù)雜度為nlog2n的計(jì)算逆序數(shù)的算法，采用樹狀數(shù)組[5]。

1 樹狀數(shù)組

定義1設(shè)i整除2k，i不能整除2k+1，k為非負(fù)整數(shù)，則稱2k是i的最小比特，記為lowbit（i）。

例28的最小比特是8，6的最小比特是2。把i化為2進(jìn)制數(shù)后，最后的連續(xù)的0的個(gè)數(shù)就是k。奇數(shù)的最小比特是1，若i=2k，則i的最小比特就是i。

定義2設(shè)c[1]，c[2]，…，c[n]是一個(gè)數(shù)組，c[i]稱為點(diǎn)或數(shù)。定義c[i]的父節(jié)點(diǎn)是c[i+lowbit（i）]。稱c為樹狀數(shù)組。

性質(zhì)1若i是奇數(shù)，則c[i]沒有子節(jié)點(diǎn)。以c[i]為根的子樹只有1個(gè)點(diǎn)。

性質(zhì)2若i的最小比特是2k，則以c[i]為根的子樹有2k個(gè)點(diǎn)，有k個(gè)子節(jié)點(diǎn)，它的k個(gè)子節(jié)點(diǎn)是（若i的二進(jìn)制數(shù)是***100000，以k=5為例）：

例3 c[8]為根的子樹有8個(gè)點(diǎn)，c[8]的子節(jié)點(diǎn)是c[4]，c[6]，c[7]。c[4]的子節(jié)點(diǎn)是c[2]，c[3]。c[6]的子節(jié)點(diǎn)是c[5]。如表1和圖1所示。

表1 樹狀數(shù)組Tab.1 Arborescence array

圖1是一顆空樹，尚未放入需要計(jì)算的項(xiàng)目，依定義2即可得到此父子結(jié)構(gòu)的一顆確定的樹，據(jù)此結(jié)構(gòu)特征，再通過定義c的內(nèi)涵以及具體問題所引入的數(shù)組b的內(nèi)涵等，即可用來解決具體計(jì)算問題。也就是說，樹狀數(shù)組是一個(gè)特定結(jié)構(gòu)的有利工具。

由例4可以看出c[i]是b[i]與c[i]的子節(jié)點(diǎn)的值之和，如圖2所示。

算法1計(jì)算i的最小比特2k：

2 樹狀數(shù)組計(jì)算逆序數(shù)

下面以例1來詮析算法4。

1）首先建立一棵空樹（樹狀數(shù)組），如圖1，這棵樹共有8個(gè)位置（或稱節(jié)點(diǎn)），每個(gè)位置上將放置數(shù)組a的一個(gè)元素，放置完畢如圖3；at[a[i]]表示元素a[i]放置在at[a[i]]節(jié)點(diǎn)上。

2）定義4 b為節(jié)點(diǎn)上所放元素的個(gè)數(shù)，對(duì)于圖1，b[i]=0，i=1，…，8；對(duì)于圖2，b[i]=1，i=1，…，8。

3）定義數(shù)組c，c[i]為以節(jié)點(diǎn)i為根的樹上所含元素的個(gè)數(shù)，滿足式（1）。

4）定義 sum（i）為放置在i之前的節(jié)點(diǎn)，所含元素的個(gè)數(shù)和，可以運(yùn)用算法2。

5） 首先放置最大的元素a_max，a_max=max（a[1]，…，a[n]），即n；將它放置在題設(shè)所放的位置，at[a_max]處，對(duì)于最大數(shù)的逆序數(shù)t[at[a_max]]為0，因?yàn)樵谒皼]有比它大的數(shù)，此時(shí)位置at[a_max]的左邊也是空的，如圖4中（a）第1步；再放第2大的數(shù)，如果它放在a_max之前，那么它的逆序數(shù)也為0，否則為1，如圖4中（b）第2步；依次放置，某個(gè)數(shù)x放置在at[x]處，此時(shí)求x的逆序數(shù)t[at[x]]，即為求在at[x]位置的左下方和下方一個(gè)有多少個(gè)數(shù)已經(jīng)放置了，即為sum（at[x]）；每放置一個(gè)元素，就以plus來更新c，計(jì)算過程和樹狀數(shù)組的維護(hù)過程如表2和圖4。

表2 例1的計(jì)算過程Tab.2 Calculation process for example 1

3 總結(jié)

樹狀數(shù)組是一個(gè)查詢和修改復(fù)雜度都為log（n）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并支持隨時(shí)修改某個(gè)元素的值，復(fù)雜度也為log（n）。它可以很高效地進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)。在思想上類似于線段樹[8-10]，比線段樹節(jié)省空間，編程復(fù)雜度比線段樹低，但適用范圍比線段樹小?？傊畼錉顢?shù)組有著簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，容易記憶。

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