二分查找模板总结

二分查找模板总结（区间、条件不再纠结）

二分查找是一种在 有序数组 中查找某一特定元素的搜索算法。元素集合有顺序，元素性质有分界点，二分法就可以用来求分界点，并不一定要求集合中元素是不重复的。

算法思路：假设目标值在闭区间 [left, right] 中， 每次将区间长度缩小一半，当 left = right 时，我们就找到了目标值。

常见问题：

1. 查找区间是该选择左开右闭区间 [left, right) 还是 左闭右闭区间 [left, right]
2. 循环终止条件是 left < right 还是 left <= right
3. 比较函数该怎么选择

常规写法

二分查找需要注意 查找区间 和 终止条件，稍不留神可能出现死循环。常见的写法如下：

int binarySearch(vector<int> &nums, int target) {
  int left = 0, right = nums.size() - 1; // 定义 target 在左闭右闭的区间里，[left, right]
  while (left <= right) { // 当 left==right，区间 [left, right] 依然有效，所以用 <=
    int mid = left + (right - left) / 2); // 防止溢出，结果等同于(left + right)/2
    if (nums[mid] > target) {
      right = mid - 1; // target 在左区间，所以更新为 [left, mid - 1]
    } else if (nums[mid] < target) {
      left = mid + 1; // target 在右区间，所以更新为 [mid + 1, right]
    } else {
      // nums[mid] == target
      return mid; // 数组中找到目标值，直接返回下标
    }
  }
  // 未找到目标值
  return -1;
}

上述写法中区间 [left, right] 的更新操作是 right = mid - 1; left = mid + 1;

边界条件需要注意：二分区间直到长度为 1，即 left == right 时，循环条件依然满足，再进行一次比较，所以用 left <= right

例题：

704. 二分查找

对上述写法稍作改造，总结二分模板共有两个：

模板一

当区间 [left, right] 的更新操作是 left = mid + 1; right = mid; 时，二分区间计算 mid 不需要加 1。

通用模板写法：

int binarySearch(int left, int right) {
  while (left < right) {
    int mid = (left + right) / 2; // 注意防止溢出
    if (check(mid)) // 判断 mid 是否满足查找条件
      left = mid + 1; // 结果落在 [mid+1, right] 区间
    else
      right = mid; // 结果落在 [left, mid] 区间
  }
  return left;
}

上述例题【704. 二分查找 】套用 模板一 的写法：

int binarySearch(vector<int> &nums, int target) {
  int left = 0, right = nums.size() - 1;
  while (left < right) {
    // 防止溢出，结果等同于 (left + right)/2
    int mid = left + ((right - left) / 2);
    // 检查 mid，比较 nums[mid] 和 target
    if (nums[mid] < target)
      // 结果落在 [mid+1, right] 区间
      left = mid + 1;
    else
      // 结果落在 [left, mid] 区间
      right = mid;
  }
  return nums[left] == target ? left : -1;
}

模板二

当区间 [left, right] 的更新操作是 left = mid; right = mid - 1; 时，计算 mid 需要加 1。

通用模板写法：

int binarySearch(int left, int right) {
  while (left < right) {
    // 注意防止溢出
    int mid = (left + right + 1) / 2;
    if (check(mid))
      // 结果落在 [left, mid-1]
      right = mid - 1;
    else
      // 结果落在 [mid, right]
      left = mid;
  }
  return left;
}

上述例题【704. 二分查找 】套用 模板二 的写法：

int binarySearch(vector<int> &nums, int target) {
  int left = 0, right = nums.size() - 1;
  while (left < right) {
    // 防止溢出，结果等同于 (left + right + 1)/2
    int mid = left + ((right - left + 1) / 2);
    // 检查 mid，比较 nums[mid] 和 target
    if (nums[mid] > target)
      // target 落在 [left, mid-1]
      right = mid - 1;
    else
      // target 落在 [mid, right]
      left = mid;
  }
  return nums[left] == target ? left : -1;
}

求同存异

使用这两个模板的优势：

1. 不用考虑循环结束时返回 left 还是 right，因为最后退出时 left == right
2. 不用考虑循环条件是用 < 还是 <=，直接都用 <
3. 非常适用于求一些分界点的问题

共同点

这两个模板写法的 共同点：

1. 查找区间都是 左闭右闭 区间：[left, right]
2. 循环判断条件都是用 left < right
3. 循环退出条件都是 left == right。查找过程一定会在 $O(logn)$ 的时间内终止，即使中间遇到 nums[mid] == target 也不会结束，而是继续收缩区间，直到区间长度为 1。
4. 在循环终止（查找结束）之后，判断一下 left 或者 right 是否符合要求即可，如果不符合要求，说明答案不存在

不同点

共同点比较好理解，但更值得注意的是，这两个模板写法的不同点：

1. 更新 mid 的计算方式不同
2. check(mid) 不同，所以更新 left 和 right 也会有一些差别

Q & A

1. 为什么模板二计算 mid 会加 1

原因：避免进入死循环。

首先，可以明确的是，两个模板在查找过程中都是区间长度不断减半，直到区间长度为 1，即 left == right 时退出循环，然后在循环外面检查最后的查找结果 nums[left] 是否为 target。

如果 模板二 更新 mid 采用 mid = (left + right)/2，在最后一次查找时会陷入死循环。例如，对于 nums = [3,4]，target 为 4：

• 第一次查找，left = 0，right = 1，mid = 0，比较得到 nums[mid] < target，更新 left = mid
• 第二次查找，还是进入相同的条件分支，陷入死循环。

而更新 mid 采用 mid = (left + right + 1) / 2 时：

• 第一次检查 left = 0, right = 1, mid = 1，更新 left = mid，退出循环

也可以通过边界条件来理解，这两个模板最后都是要收缩到区间 [left, left+1] 里进行最后一次 check：

• 对于模板一，计算得到 mid = left，区间往左收缩是进入 right = mid ，区间往右收缩是进入 left = mid + 1，结束循环，所以更新 mid 要用 mid = (left + right)/2，
• 对于模板二，计算得到 mid = right，区间往左收缩是进入right = mid - 1 ，区间往右收缩是进入 left = mid，结束循环，所以更新 mid 要用 mid = (left + right + 1)/2

2. 如何选择使用模板

一般写二分的思考顺序是这样的：通过题目背景 确定 check(mid) 的逻辑，判断答案落在左半区间还是右半区间：

• target 属于右半区间，则右半区间是 [mid+1, right]，左半区间是 [left, mid]，区间更新方式是 left = mid + 1; right = mid;，此时用第一个模板；
• target 属于左半区间，则左半区间是 [left, mid-1]，右半区间是 [mid, right]，区间更新方式是 right = mid - 1; left = mid;，此时用第二个模板；

这种区间划分方式将 check(mid) == targrt 分支的逻辑合并到 check(mid) > targrt 或 check(mid) < targrt 分支，不断将区间长度减半，具有更好的适用性，尤其适用于求一些分界点的问题。

例题：

• 34. 在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置
• 69. x 的平方根

解释：

1. 查找元素 target 的第一个位置，相当于查找 大于等于 target 的第一个元素位置：

• 如果 nums[mid] < target，此时 target 应该落在 右半区间 [mid+1, right]；

• 如果 nums[mid] >= target，此时 target 应该落在 左半区间 [left, mid]，因为 mid 可能就是 target，所以还需要进一步比较；

  因而选择 check(mid)为 nums[mid] < target，区间更新条件分别是 left = mid + 1; right = mid;

int searchFirst(vector<int> &nums, int target) {
    int left = 0, right = nums.size() - 1;
    while (left < right) {
      int mid = (left + right) >> 1;
      if (nums[mid] < target)
        left = mid + 1;
      else
        right = mid;
    }
    return nums[left] == target ? left : -1;
  }

2. 查找元素 target 的最后一个位置，相当于查找 小于等于 target 的最后一个元素位置：

• 如果 nums[mid] > target，此时 target 应该落在 左半区间 [left, mid-1]；
• 如果 nums[mid] <= target，此时 target 应该落在 右半区间 [mid, right]，因为 mid 可能就是 target，所以还需要进一步比较

因而选择 check(mid) 为 nums[mid] > target，区间更新条件分别是 right = mid-1; left = mid;

int searchLast(vector<int> &nums, int target) {
  int left = 0, right = nums.size() - 1;
  while (left < right) {
    int mid = (left + right + 1) / 2;
    if (nums[mid] <= target)
      left = mid;
    else
      right = mid - 1;
  }
  return nums[left] == target ? left : -1;
}

3. 计算 x 的算术平方根，结果只保留整数部分：由于 x 平方根的整数部分是满足 k*k <= x 的 最大 k 值

• 如果 mid * mid > x ，那么结果应该落在 左半区间 [left, mid-1]
• 如果 mid * mid <= x ，那么结果应该落在 右半区间 [mid, right]

因而选择 check(mid) 为 mid*mid > x，区间更新条件分别是 right = mid-1; left = mid;

int mySqrt(int x) {
  int left = 0, right = x;
  while (left < right) {
    // 防止值溢出
    int mid = (right + left + 1LL) / 2;
    if (mid > x / mid)
      // 结果在左半区间 [left, mid-1]
      right = mid - 1;
    else
      // 结果在右半区间 [mid, right]
      left = mid;
  }
  return left;
}

解决问题

题目	题解	难度
4.寻找两个正序数组的中位数	LeetCode 题解	困难
33. 搜索旋转排序数组	LeetCode 题解	中等
34. 在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置	LeetCode 题解	中等
35. 搜索插入位置	LeetCode 题解	简单
69. x 的平方根	LeetCode 题解	简单
74. 搜索二维矩阵	LeetCode 题解	中等
81. 搜索旋转排序数组 II	LeetCode 题解	中等
153. 寻找旋转排序数组中的最小值	LeetCode 题解	中等
154. 寻找旋转排序数组中的最小值 II	LeetCode 题解	困难
162. 寻找峰值	LeetCode 题解	中等
240. 搜索二维矩阵 II	LeetCode 题解	中等
367. 有效的完全平方数	LeetCode 题解	简单