diff --git a/luku09.tex b/luku09.tex index d02ced6..93b7293 100644 --- a/luku09.tex +++ b/luku09.tex @@ -228,7 +228,7 @@ for all subarrays that begin from the upper-left corner. \begin{samepage} The following picture illustrates the idea: \begin{center} -\begin{tikzpicture}[scale=0.55] +\begin{tikzpicture}[scale=0.54] \draw[fill=lightgray] (3,2) rectangle (7,5); \draw (0,0) grid (10,7); %\draw[line width=2pt] (3,2) rectangle (7,5); @@ -710,36 +710,38 @@ values in the binary indexed tree and each move to the next index takes $O(1)$ time using the bit operation. -\section{Segmenttipuu} +\section{Segment tree} -\index{segmenttipuu@segmenttipuu} +\index{segment tree} -\key{Segmenttipuu} on tietorakenne, -jonka operaatiot ovat taulukon välin $[a,b]$ välikysely -sekä kohdan $k$ arvon päivitys. -Segmenttipuun avulla voi toteuttaa summakyselyn, -minimikyselyn ja monia muitakin kyselyitä niin, -että kummankin operaation aikavaativuus on $O(\log n)$. +A \key{segment tree} is a data structure +whose supported operations are +handling a range query for range $[a,b]$ +and updating the element at index $k$. +Using a segment tree, we can implement sum +queries, minimum queries and many other +queries so that both operations work in $O(\log n)$ time. -Segmenttipuun etuna binääri-indeksipuuhun verrattuna on, -että se on yleisempi tietorakenne. -Binääri-indeksipuulla voi toteuttaa vain summakyselyn, -mutta segmenttipuu sallii muitakin kyselyitä. -Toisaalta segmenttipuu vie enemmän muistia ja -on hieman vaikeampi toteuttaa kuin binääri-indeksipuu. +Compared to a binary indexed tree, +the advantage of a segment tree is that it is +a more general data structure. +While binary indexed trees only support +sum queries, segment trees also support other queries. +On the other hand, a segment tree requires more +memory and is a bit more difficult to implement. -\subsubsection{Rakenne} +\subsubsection{Structure} -Segmenttipuussa on $2n-1$ solmua niin, -että alimmalla tasolla on $n$ solmua, -jotka kuvaavat taulukon sisällön, -ja ylemmillä tasoilla on välikyselyihin -tarvittavaa tietoa. -Segmenttipuun sisältö riippuu siitä, -mikä välikysely puun tulee toteuttaa. -Oletamme aluksi, että välikysely on tuttu summakysely. +A segment tree contains $2n-1$ nodes +so that the bottom $n$ nodes correspond +to the original array and the other nodes +contain information needed for range queries. +The values in a segment tree depend on +the supported query type. +We will first assume that the supported +query is the sum query. -Esimerkiksi taulukkoa +For example, the array \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \draw (0,0) grid (8,1); @@ -764,7 +766,7 @@ Esimerkiksi taulukkoa \node at (7.5,1.4) {$8$}; \end{tikzpicture} \end{center} -vastaa seuraava segmenttipuu: +corresponds to the following segment tree: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \draw (0,0) grid (8,1); @@ -804,34 +806,32 @@ vastaa seuraava segmenttipuu: \end{tikzpicture} \end{center} -Jokaisessa segmenttipuun solmussa on tietoa -$2^k$-kokoisesta välistä taulukossa. -Tässä tapauksessa solmussa oleva arvo kertoo, -mikä on taulukon lukujen summa solmua vastaavalla -välillä. -Kunkin solmun arvo saadaan laskemalla yhteen -solmun alapuolella vasemmalla ja oikealla -olevien solmujen arvot. +Each internal node in the segment tree contains +information about a range of size $2^k$ +in the original array. +In the above tree, the value of each internal +node is the sum of the corresponding array elements, +and it can be calculated as the sum of +the values of its left and right child node. -Segmenttipuu on mukavinta rakentaa niin, -että taulukon koko on 2:n potenssi, -jolloin tuloksena on täydellinen binääripuu. -Jatkossa oletamme aina, -että taulukko täyttää tämän vaatimuksen. -Jos taulukon koko ei ole 2:n potenssi, -sen loppuun voi lisätä tyhjää niin, -että koosta tulee 2:n potenssi. +It is convenient to build a segment tree +when the size of the array is a power of two +and the tree is a complete binary tree. +In the sequel, we will assume that the tree +is built like this. +If the size of the array is not a power of two, +we can always extend it using zero elements. -\subsubsection{Välikysely} +\subsubsection{Range query} -Segmenttipuussa vastaus välikyselyyn lasketaan -väliin kuuluvista solmuista, -jotka ovat mahdollisimman korkealla puussa. -Jokainen solmu antaa vastauksen väliin kuuluvalle osavälille, -ja vastaus kyselyyn selviää yhdistämällä -segmenttipuusta saadut osavälejä koskeva tiedot. +In a segment tree, the answer for a range query +is calculated from nodes that belong to the range +and are as high as possible in the tree. +Each node gives the answer for a subrange, +and the answer for the entire range can be +calculated by combining these values. -Tarkastellaan esimerkiksi seuraavaa taulukon väliä: +For example, consider the following range: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \fill[color=gray!50] (2,0) rectangle (8,1); @@ -857,9 +857,10 @@ Tarkastellaan esimerkiksi seuraavaa taulukon väliä: \node at (7.5,1.4) {$8$}; \end{tikzpicture} \end{center} -Lukujen summa välillä $[3,8]$ on $6+3+2+7+2+6=26$. -Segmenttipuusta summa saadaan laskettua seuraavien -osasummien avulla: +The sum of elements in the range $[3,8]$ is +$6+3+2+7+2+6=26$. +The sum can be calculated from the segment tree +using the following subranges: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \draw (0,0) grid (8,1); @@ -898,27 +899,26 @@ osasummien avulla: \path[draw,thick,-] (m) -- (j); \end{tikzpicture} \end{center} -Taulukon välin summaksi tulee osasummista $9+17=26$. +Thus, the sum of the range is $9+17=26$. -Kun vastaus välikyselyyn lasketaan mahdollisimman -korkealla segmenttipuussa olevista solmuista, -väliin kuuluu enintään kaksi solmua -jokaiselta segmenttipuun tasolta. -Tämän ansiosta välikyselyssä -tarvittavien solmujen yhteismäärä on vain $O(\log n)$. +When the answer for a range query is +calculated using as high nodes as possible, +at most two nodes on each level +of the segment tree are needed. +Because of this, the total number of nodes +examined is only $O(\log n)$. -\subsubsection{Taulukon päivitys} +\subsubsection{Array update} -Kun taulukossa oleva arvo muuttuu, -segmenttipuussa täytyy päivittää -kaikkia solmuja, joiden arvo -riippuu muutetusta taulukon kohdasta. -Tämä tapahtuu kulkemalla puuta ylöspäin huipulle -asti ja tekemällä muutokset. +When an element in the array changes, +we should update all nodes in the segment tree +whose value depends on the changed element. +This can be done by travelling from the bottom +to the top in the tree and updating the nodes along the path. \begin{samepage} -Seuraava kuva näyttää, mitkä solmut segmenttipuussa muuttuvat, -jos taulukon luku 7 muuttuu. +The following picture shows which nodes in the segment tree +change if the element 7 in the array changes. \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] @@ -961,28 +961,26 @@ jos taulukon luku 7 muuttuu. \end{center} \end{samepage} -Polku segmenttipuun pohjalta huipulle muodostuu aina $O(\log n)$ solmusta, -joten taulukon arvon muuttuminen vaikuttaa $O(\log n)$ solmuun puussa. +The path from the bottom of the segment tree to the top +always consists of $O(\log n)$ nodes, +so updating the array affects $O(\log n)$ nodes in the tree. -\subsubsection{Puun tallennus} +\subsubsection{Storing the tree} -Segmenttipuun voi tallentaa muistiin -$2N$ alkion taulukkona, -jossa $N$ on riittävän suuri 2:n potenssi. -Tällaisen segmenttipuun avulla voi ylläpitää -taulukkoa, jonka indeksialue on $[0,N-1]$. +A segment tree can be stored as an array +of $2N$ elements where $N$ is a power of two. +From now on, we will assume that the indices +of the original array are between $0$ and $N-1$. -Segmenttipuun taulukon -kohdassa 1 on puun ylimmän solmun arvo, -kohdat 2 ja 3 sisältävät seuraavan tason -solmujen arvot, jne. -Segmenttipuun alin taso eli varsinainen -taulukon sisältä tallennetaan -kohdasta $N$ alkaen. -Niinpä taulukon kohdassa $k$ oleva alkio -on segmenttipuun taulukossa kohdassa $k+N$. +The element at index 1 in the segment tree array +contains the top node of the tree, +the elements at indices 2 and 3 correspond to +the second level of the tree, and so on. +Finally, the elements beginning from index $N$ +contain the bottom level of the tree, i.e., +the actual content of the original array. -Esimerkiksi segmenttipuun +For example, the segment tree \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \draw (0,0) grid (8,1); @@ -1021,7 +1019,7 @@ Esimerkiksi segmenttipuun \path[draw,thick,-] (m) -- (j); \end{tikzpicture} \end{center} -voi tallentaa taulukkoon seuraavasti ($N=8$): +can be stored as follows ($N=8$): \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] %\fill[color=lightgray] (3,0) rectangle (7,1); @@ -1061,30 +1059,24 @@ voi tallentaa taulukkoon seuraavasti ($N=8$): \node at (14.5,1.4) {$15$}; \end{tikzpicture} \end{center} -Tätä tallennustapaa käyttäen kohdassa $k$ -olevalle solmulle pätee, että +Using this representation, +for a node at index $k$, \begin{itemize} -\item ylempi solmu on kohdassa $\lfloor k/2 \rfloor$, -\item vasen alempi solmu on kohdassa $2k$ ja -\item oikea alempi solmu on kohdassa $2k+1$. +\item the parent node is at index $\lfloor k/2 \rfloor$, +\item the left child node is at index $2k$, and +\item the right child node is at index $2k+1$. \end{itemize} -Huomaa, että tämän seurauksena solmun kohta on parillinen, -jos se on vasemmalla ylemmästä solmusta katsoen, -ja pariton, jos se on oikealla. +Note that this implies that the index of a node +is even if it is a left child and odd if it is a right child. -\subsubsection{Toteutus} +\subsubsection{Functions} -Tarkastellaan seuraavaksi välikyselyn ja päivityksen -toteutusta segmenttipuuhun. -Seuraavat funktiot olettavat, että segmenttipuu -on tallennettu $2n-1$-kokoi\-seen taulukkoon $\texttt{p}$ -edellä kuvatulla tavalla. - -Funktio \texttt{summa} laskee summan -välillä $a \ldots b$: +We assume that the segment tree is stored +in the array \texttt{p}. +The following function calculates the sum of range $[a,b]$: \begin{lstlisting} -int summa(int a, int b) { +int sum(int a, int b) { a += N; b += N; int s = 0; while (a <= b) { @@ -1096,17 +1088,18 @@ int summa(int a, int b) { } \end{lstlisting} -Funktio aloittaa summan laskeminen segmenttipuun -pohjalta ja liikkuu askel kerrallaan ylemmille tasoille. -Funktio laskee välin summan muuttujaan $s$ -yhdistämällä puussa olevia osasummia. -Välin reunalla oleva osasumma lisätään summaan -aina silloin, kun se ei kuulu ylemmän tason osasummaan. +The function begins from the bottom of the tree +and moves step by step upwards in the tree. +The function calculates the range sum to +the variable $s$ by combining the sums in the tree nodes. +The value of a node is added to the sum if +the parent node doesn't belong to the range. -Funktio \texttt{lisaa} kasvattaa kohdan $k$ arvoa $x$:llä: +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) { k += N; p[k] += x; for (k /= 2; k >= 1; k /= 2) { @@ -1114,35 +1107,32 @@ void lisaa(int k, int x) { } } \end{lstlisting} -Ensin funktio tekee muutoksen puun alimmalle -tasolle taulukkoon. -Tämän jälkeen se päivittää kaikki osasummat -puun huipulle asti. -Taulukon \texttt{p} indeksoinnin ansiosta -kohdasta $k$ alemmalla tasolla -ovat kohdat $2k$ ja $2k+1$. +First the function updates the bottom level +of the tree that corresponds to the original array. +After this, the function updates the values of all +internal nodes in the tree, until it reaches +the root node of the tree. -Molemmat segmenttipuun operaatiot toimivat ajassa -$O(\log n)$, koska $n$ lukua sisältävässä -segmenttipuussa on $O(\log n)$ tasoa -ja operaatiot siirtyvät askel kerrallaan -segmenttipuun tasoja ylöspäin. +Both operations in the segment tree work +in $O(\log n)$ time because a segment tree +of $n$ elements consists of $O(\log n)$ levels, +and the operations move one level forward at each step. -\subsubsection{Muut kyselyt} +\subsubsection{Other queries} -Segmenttipuu mahdollistaa summan lisäksi minkä -tahansa välikyselyn, -jossa vierekkäisten välien $[a,b]$ ja $[b+1,c]$ -tuloksista pystyy laskemaan tehokkaasti -välin $[a,c]$ tuloksen. -Tällaisia kyselyitä -ovat esimerkiksi minimi ja maksimi, -suurin yhteinen tekijä -sekä bittioperaatiot and, or ja xor. +Besides the sum query, +the segment tree can support any range query +where the answer for range $[a,b]$ +can be efficiently calculated +from ranges $[a,c]$ and $[c+1,b]$ where +$c$ is some element between $a$ and $b$. +Such queries are, for example, +minimum and maximum, greatest common divisor, +and bit operations. \begin{samepage} -Esimerkiksi seuraavan segmenttipuun avulla voi laskea -taulukon välien minimejä: +For example, the following segment tree +supports minimum queries: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] @@ -1184,27 +1174,25 @@ taulukon välien minimejä: \end{center} \end{samepage} -Tässä segmenttipuussa jokainen puun solmu kertoo, -mikä on pienin luku sen alapuolella olevassa -taulukon osassa. -Segmenttipuun ylin luku on pienin luku -koko taulukon alueella. -Puun toteutus on samanlainen kuin summan laskemisessa, -mutta joka kohdassa pitää laskea summan sijasta -lukujen minimi. +In this segment tree, every node in the tree +contains the smallest element in the corresponding +range of the original array. +The top node of the tree contains the smallest +element in the array. +The tree can be implemented like previously, +but instead of sums, minima are calculated. -\subsubsection{Binäärihaku puussa} +\subsubsection{Binary search in tree} -Segmenttipuun sisältämää tietoa voi käyttää -binäärihaun kaltaisesti aloittamalla -haun puun huipulta. -Näin on mahdollista selvittää esimerkiksi -minimisegmenttipuusta $O(\log n)$-ajassa, -missä kohdassa on taulukon pienin luku. +The structure of the segment tree makes it possible +to use binary search. +For example, if the tree supports the minimum query, +we can find the index of the smallest +element in $O(\log n)$ time. -Esimerkiksi seuraavassa puussa pienin -alkio on 1, jonka sijainti löytyy -kulkemalla puussa huipulta alaspäin: +For example, in the following tree the +smallest element is 1 that can be found +by following a path downwards from the top node: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.7]