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## 堆堆是一种数据结构，维护一个数的集合（或者，一个支持比较的元素的集合）。主要功能有：insert, getmin, deletemin, decreasekey。注意：简单起见，我们这里讨论的都是维护最小值的堆，也叫小根堆，与之相对的叫做大根堆。一些功能强大的堆还能（高效地）支持 merge 等操作。一些功能更强大的堆还支持可持久化，也就是对任意历史版本进行查询或者操作，产生新的版本。 ## 堆的分类一个有趣的事实是，这些堆都是用基于树的数据结构实现的。在 NOIP 中，我们只要求一个能支持主要操作的堆就行，也就是二叉堆。 - 二叉堆 _(binary heap)_ 最基础的堆，不支持 merge 和可持久化，所有操作的复杂度都是 $O(\log n)$ 的。 - 二项堆 _(binomial heap)_ 支持 merge 的堆，（也能可持久化），所有操作的复杂度都是 $O(\log n)$。 - Fib 堆 _(Fibonacci heap)_ 除了不能可持久化，支持全部功能，而且除了 deletemin 以外都是均摊 $O(1)$ 的。 ## 二叉堆 ### 结构从二叉堆的结构说起，它是一棵二叉树，并且是完全二叉树，每个结点中存有一个元素（或者说，有个权值）。堆性质：父亲的权值不大于儿子的权值（小根堆）。由堆性质，树根存的是最小值（getmin 操作就解决了）。 ### 插入操作首先，要保证插入后也是一棵完全二叉树。最简单的方法就是，最下一层最右边的叶子之后插入。如果最下一层已满，就新增一层。插入之后可能会不满足堆性质？向上调整：如果这个结点的权值大于它父亲的权值，就交换，重复此过程直到不满足或者到根。可以证明，插入之后向上调整后，没有其他结点会不满足堆性质。向上调整的时间复杂度是 $O(\log n)$ 的。 ### 删除操作删除根结点。如果直接删除，则变成了两个堆，难以处理。所以不妨考虑插入操作的逆过程，设法将根结点移到最后一个结点，然后直接删掉。然而实际上不好做，我们通常采用的方法是，把根结点和最后一个结点直接交换。于是直接删掉（在最后一个结点处的）根结点，但是新的根结点可能不满足堆性质…… 向下调整：在该结点的所有儿子中，找一个最小的，与该结点交换，重复此过程直到底层。可以证明，删除并向下调整后，没有其他结点不满足堆性质。时间复杂度 $O(\log n)$。 ### 减小某个点的权值很显然，直接修改后，向上调整一次即可，时间复杂度为 $O(\log n)$。 ### 实现我们发现，上面介绍的几种操作主要依赖于两个核心：向上调整和向下调整。（伪代码） ```c++ up(x) { while (x > 1 && h[x] > h[x / 2]) { swap(h[x], h[x / 2]); x /= 2; } } down(x) { while (x * 2 <= n) { t = x * 2; if (t + 1 <= n && h[t + 1] < h[t]) t++; if (h[t] >= h[x]) break; swap(h[x], h[t]); x = t; } } ``` ### 建堆考虑这么一个问题，从一个空的堆开始，插入 $n$ 个元素，不在乎顺序。直接一个一个插入需要 $O(n \log n)$ 的时间，有没有更好的方法？ #### 方法一：使用 decreasekey（即，向上调整）从根开始，按 BFS 序进行. ```text build_heap_1() { for (i = 1; i <= n; i++) up(i); } ``` 为啥这么做：对于第 $k$ 层的结点，向上调整的复杂度为 $O(k)$ 而不是 $O(\log n)$。总复杂度：$\log 1 + \log 2 + \cdots + \log n = \Theta(n \log n)$。（在「基于比较的排序」中证明过） #### 方法二：使用向下调整这时换一种思路，从叶子开始，逐个向下调整 ```text build_heap_2() { for (i = n; i >= 1; i--) down(i); } ``` 换一种理解方法，每次「合并」两个已经调整好的堆，这说明了正确性。注意到向下调整的复杂度，为 $O(\log n - k)$。 $$ \begin{aligned} 总复杂度 & = n \log n - \log 1 - \log 2 - \cdots - \log n \\\\ & \leq n \log n - 0 \times 2^0 - 1 \times 2^1 -\cdots - (\log n - 1) \times \frac{n}{2} \\\\ & = n \log n - (n-1) - (n-2) - (n-4) - \cdots - (n-\frac{n}{2}) \\\\ & = n \log n - n \log n + 1 + 2 + 4 + \cdots + \frac{n}{2} \\\\ & = n - 1 \\\\ & = O(n) \end{aligned} $$ 之所以能 $O(n)$ 建堆，是因为堆性质很弱，二叉堆并不是唯一的。要是像排序那样的强条件就难说了。