集合的二进制表示法通过使用整数的二进制位来表示元素的存在性,是一种高效且紧凑的存储方式。以下是具体说明:
一、基本原理
元素映射 将集合中的元素映射为整数的二进制位。通常将元素按顺序编号(如0, 1, 2, …),若元素i在集合中,则将整数i转换为二进制后,第i位设为1,其余位设为0。
整数与集合的对应关系
例如,集合{0, 1, 2, 3}可以表示为二进制数`0111`(即十进制的15),其中:
- 第0位:0表示元素0不在集合中
- 第1位:1表示元素1在集合中
- 第2位:1表示元素2在集合中
- 第3位:1表示元素3在集合中
二、常见操作与实现
判断元素存在性
使用位与运算判断元素i是否在集合中:
$$text{判断元素i是否在集合} = (s & (1 << i)) neq 0$$
若结果为1,则元素i在集合中;若为0,则不在。
添加元素
使用位或运算添加元素i:
$$s = s | (1 << i)$$
例如,集合{0, 1, 2}(二进制111)添加元素3(二进制100)后变为1111(十进制31)。
移除元素
使用位与取反运算移除元素i:
$$s = s & ~(1 << i)$$
例如,集合{0, 1, 2, 3}移除元素2(二进制100)后变为0111(十进制7)。
集合运算
- 并集: $A | B = A lor B$ - 交集
- 对称差:$A oplus B = (A lor B) land lnot (A land B)$
这些运算可通过位运算高效实现。
三、子集枚举
全排列枚举:通过二进制数从0到$2^n - 1$遍历,每个数对应一个子集。例如,n=3时,二进制000到111对应空集到全集。
优化枚举:从高位到低位遍历,遇到1时保留该位,避免重复计算(如从`sup`开始递减)。
四、注意事项
元素范围:此方法适用于元素为非负整数且范围较小的情况。若元素为负数或范围较大,需先进行映射(如偏移处理)。
空间效率:对于元素较多的集合,需占用较多内存。例如,元素范围为0到1000时,需30位整数表示。
通过上述方法,二进制表示法能够高效地支持集合的存储与操作,是算法竞赛和计算机科学中的常用技巧。