3.2.3. Fenwick Tree

Fenwick Tree とは

Fenwick Tree または Binary Indexed Tree (BIT) は、累積和に更新操作を加えたデータ構造。
セグメント木の機能を削り、実装を単純化したものともみなせる。

\(n\) 個の要素について、次の操作を行うことができる。

  • 初期化: \(\mathcal{O}(n)\)

  • 要素1つに対する加算: \(\mathcal{O}(\log{n})\)

  • 部分和を求める問い合わせ: \(\mathcal{O}(\log{n})\)

部分和では区間 \([0, r)\) の和が求まる。
任意の区間 \([l, r)\) の和を求めるには、累積和と同様に \([0, r)\) の部分和から \([0, l)\) の部分和を引けばよい。

原理

BITの加算操作・更新操作ではセグメント木と同様に、ノード間の移動が発生する。
セグメント木ではこれをビットシフトや再帰で計算していたが、BITではノードの添え字を2進数で表したときの“1”であるビットの位置を利用して計算する。
ノード間の移動では特に、「最下位が“1”であるビットの位置」を順次取得することになる。
これは符号付き2進数を用いて \(a \land -a\) で求めることができる。
\[\begin{split}\begin{eqnarray} 6 \land -6 &=& 0110_{(2)} \land 1010_{(2)} \\ &=& 0010_{(2)} \\ \end{eqnarray}\end{split}\]

\(a \land -a\) の計算結果はビットが1か所だけ立つ。この場所が「最下位が“1”であるビットの位置」となる。

実装 (Numpy + Numba)

配列を1つ多く確保し、参照を 1-indexed とすると実装しやすい。

[1]:
import numpy as np
from numba import jitclass, i8


@jitclass([("n", i8), ("tree", i8[:])])
class FenwickTree:
    def __init__(self, n: i8) -> None:
        """Fenwick Treeを初期化します。

        Parameters
        ----------
        n : i8
            要素数
        """
        self.n = n
        self.tree = np.zeros(n + 1, dtype=np.int64)

    def _rsum(self, r):
        s = 0
        while r > 0:
            s += self.tree[r]
            r -= r & -r
        return s

    def sum(self, l: i8, r: i8) -> i8:
        """区間[l, r) の総和を返します。

        Parameters
        ----------
        l : i8
            区間の左端
        r : i8
            区間の右端

        Returns
        -------
        i8
            区間[l, r) の総和
        """
        return self._rsum(r) - self._rsum(l)

    def add(self, i: i8, x: i8) -> None:
        """添字iにxを加算します。

        Parameters
        ----------
        i : i8
            添字
        x : i8
            加数
        """
        i += 1
        while i <= self.n:
            self.tree[i] += x
            i += i & -i

使用例

[2]:
from numba import njit

def generate_input():
    input_string = """5 5
    1 2 3 4 5
    1 0 5
    1 2 4
    0 3 10
    1 0 5
    1 0 3
    """
    for line in input_string.splitlines():
        yield line

input = generate_input().__next__

def read():
    N, Q = map(int, input().strip().split())
    A = np.fromstring(input().strip(), sep=" ", dtype=np.int64)
    queries = np.empty((Q, 3), dtype=np.int64)
    for i in range(Q):
        queries[i, :] = np.fromstring(input().strip(), sep=" ", dtype=np.int64)
    return N, Q, A, queries

@njit((i8, i8, i8[:], i8[:, :]), cache=True)
def solve(N, Q, A, queries):
    ft = FenwickTree(N)
    for i in range(N):
        ft.add(i, A[i])
    for i in range(Q):
        query = queries[i, :]
        if query[0] == 0:
            p, x = query[1:]
            ft.add(p, x)
        elif query[0] == 1:
            l, r = query[1:]
            print(ft.sum(l, r))

solve(*read())
15
7
25
6