Range Minimum Query (RMQ)

RMQ(Range Minimum Query) : 给定一个数组，求给定的两个索引(下标)间最小值元素的索引.

 

符号意义:

假设一个算法有 f(n)的预处理时间和g(n)的查询时间.则这个算法的总的时间复杂度记为<f(n), g(n)>

 

记数组A在索引i和j之间的最小值元素的索引为RMQ_A(i, j).

例子:A[0,9]

对于给定的数组A[0,N-1],N为元素个数

解法一：动态规划

对于每对索引(i , j)存储值RMQ_A(i, j) 在数组M[0, N-1][0, N-1]中

预处理函数如下：

void process1(int M[MAXN][MAXN], int A[MAXN], int N) { int i, j; for (i =0; i < N; i++) M[i][i] = i; for (i = 0; i < N; i++) for (j = i + 1; j < N; j++) if (A[M[i][j - 1]] < A[j]) M[i][j] = M[i][j - 1]; else M[i][j] = j; }

算法时间复杂度为<O(N²) , O(1)>,空间复杂度为O(N²),对于N比较大时，很耗内存

解法二：Sparse Table ( 稀疏表 )

一个好的方法是对长度为2^k 的子数组进行预处理。保存一个数组M[0, N-1][0, logN]，M[i][j]表示从一个下标从i开始，长度为2^j的子数组中最小元素的下标

例子如下：

  为了计算M[i][j],我们必须搜索这个区间的前半部分和后半部分.很明显，每一部分的长度为 2^{j - 1}。递推式如下：

预处理函数如下所示：

void process2(int M[MAXN][LOGMAXN], int A[MAXN], int N) { int i, j; //initialize M for the intervals with length 1 for (i = 0; i < N; i++) M[i][0] = i; //compute values from smaller to bigger intervals for (j = 1; 1 << j <= N; j++) for (i = 0; i + (1 << j) - 1 < N; i++) if (A[M[i][j - 1]] < A[M[i + (1 << (j - 1))][j - 1]]) M[i][j] = M[i][j - 1]; else M[i][j] = M[i + (1 << (j - 1))][j - 1]; }

预处理后，让我们看看怎么计算RMQ_A(i, j). 思想就是选择出两个将区间[i..j]完全覆盖的小区间(预处理的M)，然后取其较小值. 取k = [log(j - i + 1)]. 为了计算RMQ_A(i, j) 使用如下公式:

此算法总的时间复杂度为<O(N logN), O(1)>.

解法三：Segment Tree(线段树)

为了解决RMQ，还可以使用线段树.线段树能在对数时间内在数组区间上进行更新与查询。我们定义线段树在区间[i, j]上如下：

• 第一个节点维护着区间 [i, j]的信息。
• if i<j , 那么左孩子维护着区间[i, (i+j)/2]的信息，右孩子维护着区间[(i+j)/2+1, j]的信息。

可知 N 个元素的线段树的高度 为 [logN] + 1(只有根节点的树高度为0). 下面是区间 [0, 9] 的一个线段树:

线段树和堆有一样的结构, 因此如果一个节点编号为 x ，那么左孩子编号为2*x 右孩子编号为2*x+1(在这里下标从1开始).

使用线段树解决RMQ问题，我们要维护一个数组M[1, 2 * 2^{[logN] + 1}] ，M[i] 维护着被分配给该节点的区间的最小值元素的下标。 该数组初始状态为-1 . 树应该被以下函数初始化 (b 和 e 是当前区间的左右边界):

void initialize(intnode, int b, int e, int M[MAXIND], int A[MAXN], int N) { if (b == e) M[node] = b; else { //compute the values in the left and right subtrees initialize(2 * node, b, (b + e) / 2, M, A, N); initialize(2 * node + 1, (b + e) / 2 + 1, e, M, A, N); //search for the minimum value in the first and //second half of the interval if (A[M[2 * node]] <= A[M[2 * node + 1]]) M[node] = M[2 * node]; else M[node] = M[2 * node + 1]; } }

该函数反映的是树被构建的方法。 我们应该用 node = 1, b = 0 和 e  = N-1 来调用这个函数

现在开始查询. 如果我们想要找出区间 [i, j] 上的最小值的索引，我们应该使用下面这个简单的函数:

int query(int node, int b, int e, int M[MAXIND], int A[MAXN], int i, int j) { int p1, p2; //if the current interval doesn't intersect //the query interval return -1 if (i > e || j < b) return -1; //if the current interval is included in //the query interval return M[node] if (b >= i && e <= j) return M[node]; //compute the minimum position in the //left and right part of the interval p1 = query(2 * node, b, (b + e) / 2, M, A, i, j); p2 = query(2 * node + 1, (b + e) / 2 + 1, e, M, A, i, j); //return the position where the overall //minimum is if (p1 == -1) return M[node] = p2; if (p2 == -1) return M[node] = p1; if (A[p1] <= A[p2]) return M[node] = p1; return M[node] = p2; }

我们可以用 node = 1, b = 0 和 e = N - 1来调用这个函数。 因为第一个节点的区间是 [0, N-1].

很容易看出任何查询都能在时间 O(log N)内完成。
使用线段树得到了一个 <O(N), O(logN)> 的算法.

线段树非常有用，不仅仅因为它可以用在解决RMQ问题上。它是一个非常灵活的数据结构，在范围搜索问题上有很多应用.