本质上有动态规划的思想。
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一、一维前缀和
设 dp[i] 表示数组前 i 个元素之和,并额外定义 dp[0] = 0:
text
dp[i] = dp[i - 1] + arr[i]
查询闭区间 [l, r] 时,dp[r] 包含第 1 个到第 r 个元素,再减去第 1 个到第 l - 1 个元素:
text
sum(l, r) = dp[r] - dp[l - 1]
代码中的数组名虽然是 dp,但它保存的是预处理得到的前缀和,不是动态规划中的最优子结构结果。
java
import java.util.Scanner;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Scanner in = new Scanner(System.in);
int n = in.nextInt();
int q = in.nextInt();
int[] arr = new int[n + 1];
long[] dp = new long[n + 1];
for (int i = 1; i < n + 1; i++) {
arr[i] = in.nextInt();
dp[i] = dp[i - 1] + arr[i];
}
while (in.hasNextInt()) {
int a = in.nextInt();
int b = in.nextInt();
System.out.println(dp[b] - dp[a - 1]);
}
}
}
题目中的元素绝对值可达 10^9,区间和可能超过 int 范围,因此前缀和数组使用 long[]。
二、二维前缀和
设 dp[i][j] 表示左上角 (1, 1) 到右下角 (i, j) 这一整块矩形的元素和。构造时先相加上方矩形与左侧矩形,但它们重复计算了左上角重叠区域,因此需要减去一次,再加上当前元素:
text
dp[i][j] = dp[i - 1][j] + dp[i][j - 1]
- dp[i - 1][j - 1] + arr[i][j]
查询左上角 (x1, y1) 到右下角 (x2, y2) 的子矩形时,同样使用容斥:
text
sum = dp[x2][y2] - dp[x1 - 1][y2]
- dp[x2][y1 - 1] + dp[x1 - 1][y1 - 1]
前两次减法去掉目标矩形上方与左侧的区域,但左上角区域被减了两次,所以最后要补回一次。
java
import java.util.Scanner;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Scanner in = new Scanner(System.in);
int n = in.nextInt();
int m = in.nextInt();
int q = in.nextInt();
int[][] arr = new int[n + 1][m + 1];
long[][] dp = new long[n + 1][m + 1];
for (int i = 1; i < n + 1; i++) {
for (int j = 1; j < m + 1; j++) {
arr[i][j] = in.nextInt();
dp[i][j] = dp[i - 1][j] + dp[i][j - 1]
- dp[i - 1][j - 1] + arr[i][j];
}
}
while (in.hasNextInt()) {
int x1 = in.nextInt();
int y1 = in.nextInt();
int x2 = in.nextInt();
int y2 = in.nextInt();
System.out.println(dp[x2][y2] - dp[x1 - 1][y2]
- dp[x2][y1 - 1] + dp[x1 - 1][y1 - 1]);
}
}
}
三、零边界
为什么要把原数组向后平移一位?如果一维前缀和直接把 dp[0] 作为第一个值不是更符合直觉吗?
但是这样我们在实操的时候会遇到许多不便之处,往往需要繁杂的分类讨论,因此我们补出值为 0 的边界,用来统一公式。
例如查询从第 1 个元素开始第 1 个元素结束的区间时,公式会访问 dp[1 - 1],也就是 dp[0]。二维前缀和同理:当查询区域贴着上边界或左边界时,公式会访问第 0 行或第 0 列。预留零边界后,不需要为这些情况额外分类,也不会出现负数下标,从而我们花费了少量的空间换来了简洁的代码,优雅的思路和性能的提升。