diff --git a/luku09.tex b/luku09.tex index a04bd0c..d02ced6 100644 --- a/luku09.tex +++ b/luku09.tex @@ -76,13 +76,13 @@ any possible range query efficiently. \index{prefix sum array} Sum queries can be answered efficiently -by constructing a \key{prefix sum array} +by constructing a \key{sum array} that contains the sum of the range $[1,k]$ for each $k=1,2,\ldots,n$. After this, the sum of any range $[a,b]$ of the original array can be calculated in $O(1)$ time using the -prefix sum array. +precalculated sum array. For example, for the array \begin{center} @@ -110,7 +110,7 @@ For example, for the array \node at (7.5,1.4) {$8$}; \end{tikzpicture} \end{center} -the corresponding prefix sum array is as follows: +the corresponding sum array is as follows: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] %\fill[color=lightgray] (3,0) rectangle (7,1); @@ -155,12 +155,12 @@ int sum(int a, int b) { The function calculates the sum of range $[a,b]$ by subtracting the sum of range $[1,a-1]$ from the sum of range $[1,b]$. -Thus, only two values from the prefix sum array +Thus, only two values from the sum array are needed, and the query takes $O(1)$ time. Note that thanks to the one-based indexing, the function also works when $a=1$ if $\texttt{s}[0]=0$. -As an example, let us consider the range $[4,7]$: +As an example, consider the range $[4,7]$: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \fill[color=lightgray] (3,0) rectangle (7,1); @@ -187,7 +187,7 @@ As an example, let us consider the range $[4,7]$: \end{tikzpicture} \end{center} The sum of the range $[4,7]$ is $8+6+1+4=19$. -This can be calculated from the prefix sum array +This can be calculated from the sum array using the sums $[1,3]$ and $[1,7]$: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] @@ -218,12 +218,12 @@ using the sums $[1,3]$ and $[1,7]$: \end{center} Thus, the sum of the range $[4,7]$ is $27-8=19$. -We can also generalize the idea of prefix sum array +We can also generalize the idea of a sum array for a two-dimensional array. In this case, it will be possible to calculate the sum of any rectangular subarray in $O(1)$ time. -The prefix sum array will contain sums -of all subarrays that begin from the upper-left corner. +The sum array will contain sums +for all subarrays that begin from the upper-left corner. \begin{samepage} The following picture illustrates the idea: @@ -250,7 +250,7 @@ to the position of letter $X$. \subsubsection{Minimum query} It is also possible to answer a minimum query -in $O(1)$ after preprocessing, though it is +in $O(1)$ time after preprocessing, though it is more difficult than answer a sum query. Note that minimum and maximum queries can always be implemented using same techniques, @@ -438,36 +438,36 @@ The minimum of the range $[2,5]$ is 3, and the minimum of the range $[4,7]$ is 1. Thus, the minimum of the range $[2,7]$ is 1. -\section{Binääri-indeksipuu} +\section{Binary indexed tree} -\index{binxxri-indeksipuu@binääri-indeksipuu} -\index{Fenwick-puu} +\index{binary indexed tree} +\index{Fenwick tree} -\key{Binääri-indeksipuu} eli \key{Fenwick-puu} on -summataulukkoa muistuttava tietorakenne, -joka toteuttaa kaksi operaatiota: -taulukon välin $[a,b]$ summakysely -sekä taulukon kohdassa $k$ olevan luvun päivitys. -Kummankin operaation aikavaativuus on $O(\log n)$. +A \key{binary indexed tree} or a \key{Fenwick tree} +is a data structure that resembles a sum array. +The supported operations are answering +a sum query for range $[a,b]$, +and updating the element at index $k$. +The time complexity for both of the operations is $O(\log n)$. -Binääri-indeksipuun etuna summataulukkoon verrattuna on, -että taulukkoa pystyy päivittämään tehokkaasti -summakyselyiden välissä. -Summataulukossa tämä ei olisi mahdollista, -vaan koko summataulukko tulisi muodostaa uudestaan $O(n)$-ajassa -taulukon päivityksen jälkeen. +Unlike a sum array, a binary indexed tree +can be efficiently updated between the sum queries. +This would not be possible using a sum array +because we should build the whole sum array again +in $O(n)$ time after each update. -\subsubsection{Rakenne} +\subsubsection{Structure} -Binääri-indeksipuu on taulukko, jonka -kohdassa $k$ on kohtaan $k$ päättyvän välin lukujen summa -alkuperäisessä taulukossa. -Välin pituus on suurin 2:n potenssi, jolla $k$ on jaollinen. -Esimerkiksi jos $k=6$, välin pituus on 2, koska -6 on jaollinen 2:lla mutta ei ole jaollinen 4:llä. +A binary indexed tree can be represented as an array +where index $k$ contains the sum of a range in the +original array that ends to index $k$. +The length of the range is the largest power of two +that divides $k$. +For example, if $k=6$, the length of the range is $2$ +because $2$ divides $6$ but $4$ doesn't divide $6$. \begin{samepage} -Esimerkiksi taulukkoa +For example, for the array \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \draw (0,0) grid (8,1); @@ -493,7 +493,7 @@ Esimerkiksi taulukkoa \end{tikzpicture} \end{center} \end{samepage} -vastaava binääri-indeksipuu on seuraava: +the corresponding binary indexed tree is as follows: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] %\fill[color=lightgray] (3,0) rectangle (7,1); @@ -538,18 +538,21 @@ vastaava binääri-indeksipuu on seuraava: \end{tikzpicture} \end{center} -Esimerkiksi binääri-indeksipuun kohdassa 6 on luku 7, -koska välin $[5,6]$ lukujen summa on $6+1=7$. +For example, the binary indexed tree +contains the value 7 at index 6 +because the sum of the elements in the range $[5,6]$ +of the original array is $6+1=7$. -\subsubsection{Summakysely} +\subsubsection{Sum query} -Binääri-indeksipuun perusoperaatio on välin $[1,k]$ -summan laskeminen, missä $k$ on mikä tahansa taulukon kohta. -Tällaisen summan pystyy muodostamaan aina laskemalla yhteen -puussa olevia välien summia. +The basic operation in a binary indexed tree is +calculating the sum of a range $[1,k]$ where $k$ +is any index in the array. +The sum of any range can be constructed by combining +sums of subranges in the tree. -Esimerkiksi välin $[1,7]$ -summa muodostuu seuraavista summista: +For example, the range $[1,7]$ will be divided +into three subranges: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] %\fill[color=lightgray] (3,0) rectangle (7,1); @@ -594,25 +597,26 @@ summa muodostuu seuraavista summista: \end{tikzpicture} \end{center} -Välin $[1,7]$ summa on siis $16+7+4=27$. -Binääri-indeksipuun rakenteen ansiosta -jokainen summaan kuuluva väli on eripituinen. -Niinpä summa muodostuu aina $O(\log n)$ välin summasta. +Thus, the sum of the range $[1,7]$ is $16+7+4=27$. +Because of the structure of the binary indexed tree, +the length of each subrange inside a range is distinct, +so the sum of a range +always consists of sums of $O(\log n)$ subranges. -Summataulukon tavoin binääri-indeksipuusta voi laskea -tehokkaasti minkä tahansa taulukon välin summan, -koska välin $[a,b]$ summa saadaan vähentämällä -välin $[1,b]$ summasta välin $[1,a-1]$ summa. -Aikavaativuus on edelleen $O(\log n)$, -koska riittää laskea kaksi $[1,k]$-välin summaa. +Using the same technique that we previously used +with a sum array, +we can efficiently calculate the sum of any range +$[a,b]$ by substracting the sum of the range $[1,a-1]$ +from the sum of the range $[1,b]$. +The time complexity remains $O(\log n)$ +because it suffices to calculate two sums of $[1,k]$ ranges. -\subsubsection{Taulukon päivitys} +\subsubsection{Array update} -Kun taulukon kohdassa $k$ oleva luku muuttuu, -tämä vaikuttaa useaan -binääri-indeksi\-puussa olevaan summaan. -Esimerkiksi jos kohdassa 3 oleva luku muuttuu, -seuraavat välien summat muuttuvat: +When an element in the original array changes, +several sums in the binary indexed tree change. +For example, if the value at index 3 changes, +the sums of the following ranges change: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] %\fill[color=lightgray] (3,0) rectangle (7,1); @@ -657,33 +661,30 @@ seuraavat välien summat muuttuvat: \end{tikzpicture} \end{center} -Myös tässä tapauksessa kaikki välit, -joihin muutos vaikuttaa, ovat eripituisia, -joten muutos kohdistuu $O(\log n)$ kohtaan -binääri-indeksipuussa. +Also in this case, the length of each range is distinct, +so $O(\log n)$ ranges will be updated in the binary indexed tree. -\subsubsection{Toteutus} +\subsubsection{Implementation} -Binääri-indeksipuun operaatiot on mahdollista toteuttaa -lyhyesti ja tehokkaasti bittien käsittelyn avulla. -Oleellinen bittioperaatio on $k \& -k$, -joka eristää luvusta $k$ viimeisenä olevan ykkösbitin. -Esimerkiksi $6 \& -6=2$, koska luku $6$ on bittimuodossa 110 -ja luku $2$ on bittimuodossa on 10. +The operations of a binary indexed tree can be implemented +in an elegant and efficient way using bit manipulation. +The bit operation needed is $k \& -k$ that +returns the last bit one from number $k$. +For example, $6 \& -6=2$ because the number $6$ +corresponds to 110 and the number $2$ corresponds to 10. -Osoittautuu, että summan laskemisessa -binääri-indeksipuun kohtaa $k$ tulee muuttaa joka askeleella niin, -että siitä poistetaan luku $k \& -k$. -Vastaavasti taulukon päivityksessä kohtaa $k$ tulee muuttaa joka askeleella niin, -että siihen lisätään luku $k \& -k$. +It turns out that when calculating a range sum, +the index $k$ in the binary indexed tree should be +decreased by $k \& -k$ at every step. +Correspondingly, when updating the array, +the index $k$ should be increased by $k \& -k$ at every step. +The following functions assume that the binary indexed tree +is stored to array \texttt{b} and it consists of indices $1 \ldots n$. -Seuraavat funktiot olettavat, että binääri-indeksipuu on -tallennettu taulukkoon \texttt{b} ja se muodostuu kohdista $1 \ldots n$. - -Funktio \texttt{summa} laskee välin $[1,k]$ summan: +The function \texttt{sum} calculates the sum of the range $[1,k]$: \begin{lstlisting} -int summa(int k) { +int sum(int k) { int s = 0; while (k >= 1) { s += b[k]; @@ -693,9 +694,9 @@ int summa(int k) { } \end{lstlisting} -Funktio \texttt{lisaa} kasvattaa taulukon kohtaa $k$ arvolla $x$: +The function \texttt{add} increases the value of element $k$ by $x$: \begin{lstlisting} -void lisaa(int k, int x) { +void add(int k, int x) { while (k <= n) { b[k] += x; k += k&-k; @@ -703,10 +704,11 @@ void lisaa(int k, int x) { } \end{lstlisting} -Kummankin yllä olevan funktion aikavaativuus on $O(\log n)$, -koska funktiot muuttavat $O(\log n)$ kohtaa -binääri-indeksipuussa ja uuteen kohtaan siirtyminen -vie aikaa $O(1)$ bittioperaation avulla. +The time complexity of both above functions is +$O(\log n)$ because the functions change $O(\log n)$ +values in the binary indexed tree and each move +to the next index +takes $O(1)$ time using the bit operation. \section{Segmenttipuu}