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逆序數及其求法

1. 逆序數

所謂逆序數,就是指一個序列S[i],統計處於序列的每個數的比這個數大並且排在它前面的數的數目,然後對於所有數,把這個數目加起來求和就是了。
比如 4 3 1 2
4第一個,所以數目為0
3的前面是4,大於3的數目為1
1的前面是4 3 ,大於1的數目為2
2的前面是4 3 1,大於2的數目為2
所以逆序數為1+2+2 = 5

求逆序數的兩種方法
常規方法是按照逆序數的規則做,結果複雜度是O(n*n),一般來說,有兩種快速的求逆序數的方法
分別是歸併排序和樹狀陣列法


2. 歸併排序 
歸併排序是源於分而治之思想,詳細的過程可以查閱其他資料,總體思想是劃分一半,各自排好序後將兩個有序序列合併起來。

如何修改歸併排序求逆序數?
首先我們假設兩個有序序列 a[i]和b[i],當合並時:
由於a[i]已是有序,所以對於a[i]的各個元素來說,排在它前面且比它大的數目都是0
當b[i]中含有比a[i]小的元素時,我們必然將b[i]元素插到前面,那麼就是說,在b[i]原先位置到該插的位置中,所有數都比b[i]大且排在它前面
所以這是b[i]的數目為新插入位置newPos - 原來位置oldPos

那麼對於一半的序列又怎麼做呢?我們知道,歸併排序會繼續向下遞迴,而遞迴完成返回後將是兩組有序的序列,並且拿到區域性的逆序數,
所以在Merge函式中新增這一計數操作即可

程式碼示例如下:
int L[M];
int R[M];

const int Max = 1 <<30;
__int64 change = 0;

void Merge(int *data,int left,int divide,int right)
{
    int lengthL = divide - left;
    int lengthR = right - divide;
    
    for(int i = 0; i < lengthL; ++i)
    {
        L[i] = data[left + i];
    }
    for
(int i = 0; i < lengthR; ++i)
    {
        R[i] = data[divide + i];
    }
    L[lengthL] = R[lengthR] = Max;
    int i = 0;
    int j = 0;
    for(int k = left; k < right; ++k)
    {
        if(L[i] <= R[j])
        {
            data[k] = L[i];
            ++i;
        }
        else 
        {
            change += divide - i - left ;
            data[k] = R[j];
            ++j;
        }
    }

}

void
 MergeSort(int *data,int left,int right)
{
    if(left < right -1)
    {
        int divide = (left + right)/2;
        MergeSort(data,left,divide);
        MergeSort(data,divide,right);
        Merge(data,left,divide,right);
    }
}

3. 樹狀陣列
求逆序數的另外一種方法是使用樹狀陣列
對於小資料,可以直接插入樹狀陣列,對於大資料,則需要離散化,所謂離散化,就是將
100 200 300 400 500 ---> 1 2 3 4 5

這裡主要利用樹狀陣列解決計數問題。

首先按順序把序列a[i]每個數插入到樹狀陣列中,插入的內容是1,表示放了一個數到樹狀陣列中。
然後使用sum操作獲取當前比a[i]小的數,那麼當前i - sum則表示當前比a[i]大的數,如此反覆直到所有數都統計完,
比如
4 3 1 2 
i = 1 : 插入 4 : update(4,1),sum(4)返回1,那麼當前比4大的為 i - 1 = 0;
i = 2 : 插入 3 : update(3,1),sum(3)返回1,那麼當前比3大的為 i - 1 = 1;
i = 3 : 插入 1 : update(1,1),sum(1)返回1,那麼當前比1大的為 i - 1 = 2;
i = 4 : 插入 2 : update(2,1),sum(2)返回2,那麼當前比2大的為 i - 2 = 2;

過程很明瞭,所以逆序數為1+2+2=5

程式碼示例如下:

//樹狀陣列__int64 sums[1005];
int len;

inline int lowbit(int t)
{
    return t & (t^(t-1)); 
}

void update(int _x,int _value)
{
    while(_x <= len)
    {
        sums[_x] += _value;
        _x += lowbit(_x);
    }
}

__int64 sum(int _end)//get sum[1_end]{
    __int64 ret = 0;
    while(_end > 0)
    {
        ret += sums[_end];
        _end -= lowbit(_end);
    }
    return ret;
}

//求逆序數
__int64 ret = 0;
for (__int64 i = 0; i < k; ++i)
{
    update(a[i],1);
    ret += (i+1) - sum(a[i]);
}