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304. 二维区域和检索 - 矩阵不可变

中等设计二维前缀和力扣原题 ↗

题目描述

输入一个二维整数矩阵 matrix,之后会有很多次查询。每次查询给出一个子矩形的左上角 (row1, col1) 和右下角 (row2, col2),下标从 0 开始,要求算出这个子矩形内所有元素之和。

实现 NumMatrix 类。构造函数接收矩阵 matrix 并完成预处理。方法 sumRegion(row1, col1, row2, col2) 返回行号在 row1 到 row2、列号在 col1 到 col2 之间(都含两端)的元素之和。

矩阵初始化后不再改变。希望每次 sumRegion 只花 O(1) 时间。输入由方法名数组和参数数组组成,输出按顺序给出每次调用的返回值,构造调用记为 null。

示例 1
输入:操作 = ["NumMatrix","sumRegion","sumRegion","sumRegion"]
参数 = [[[[3,0,1,4,2],[5,6,3,2,1],[1,2,0,1,5],[4,1,0,1,7],[1,0,3,0,5]]],[2,1,4,3],[1,1,2,2],[1,2,2,4]]
输出:[null,8,11,12]

解释:第 2~4 行、第 1~3 列的元素和为 8;第 1~2 行、第 1~2 列的和为 11;第 1~2 行、第 2~4 列的和为 12。

数据范围

  • m == matrix.length
  • n == matrix[i].length
  • 1 <= m, n <= 200
  • -10^5 <= matrix[i][j] <= 10^5
  • 0 <= row1 <= row2 < m
  • 0 <= col1 <= col2 < n
  • sumRegion 最多调用 10^4 次。

解题思路:二维前缀和

构造二维前缀和 s,s[i][j] 是左上角 i 行 j 列子矩阵的和(多一行一列的 0 做边界)。递推:s[i+1][j+1] = 上 + 左 - 左上 + matrix[i][j]。查询用容斥:大矩形减去上方和左方两块,再加回被减了两次的左上角。

为什么正确

s[i][j] = 所有 matrix[r][c](r < i,c < j)之和。

复杂度分析

构造 O(mn),每次查询 O(1);空间 O(mn)。

易错点

容斥时忘记加回左上角 s[row1][col1],或者下标没有统一 +1,都会得到错误结果。

参考代码

Python、Java、C++、Go、JavaScript、TypeScript 六种语言,逻辑一致。

class NumMatrix:
    def __init__(self, matrix: List[List[int]]):
        m, n = len(matrix), len(matrix[0])
        self.s = [[0] * (n + 1) for _ in range(m + 1)]
        for i in range(m):
            for j in range(n):
                self.s[i + 1][j + 1] = self.s[i][j + 1] + self.s[i + 1][j] - self.s[i][j] + matrix[i][j]

    def sumRegion(self, row1: int, col1: int, row2: int, col2: int) -> int:
        s = self.s
        return s[row2 + 1][col2 + 1] - s[row1][col2 + 1] - s[row2 + 1][col1] + s[row1][col1]

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其他解法

逐行前缀和只在行方向预处理,查询还要按行累加;二维前缀和再在列方向叠加一次,并用容斥原理(加两角、减两角)把查询降到 O(1)。

解法 2:逐行一维前缀和 时间 初始化 O(mn),查询 O(m),空间 O(mn)

对每一行单独求一维前缀和 pre[i][j+1] = pre[i][j] + matrix[i][j]。查询时遍历 row1 到 row2 的每一行,累加 pre[i][col2+1] - pre[i][col1]。

只是把第 303 题的方法逐行套用,不用容斥原理,容易写对。每次查询 O(m),查询很多时不如二维前缀和。

class NumMatrix:
    def __init__(self, matrix: List[List[int]]):
        self.pre = []
        for row in matrix:
            p = [0]
            for x in row:
                p.append(p[-1] + x)
            self.pre.append(p)

    def sumRegion(self, row1: int, col1: int, row2: int, col2: int) -> int:
        return sum(self.pre[i][col2 + 1] - self.pre[i][col1] for i in range(row1, row2 + 1))

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