力扣 | 二分查找模板

力扣：二分查找

二分查找

• 在最简单的形式中，二分查找对具有指定左索引和右索引的连续序列进行操作。这就是所谓的查找空间。
• 二分查找维护查找空间的左、右和中间指示符，并比较查找目标或将查找条件应用于集合的中间值；
• 如果条件不满足或值不相等，则清除目标不可能存在的那一半，并在剩下的一半上继续查找，直到成功为止。
• 如果查以空的一半结束，则无法满足条件，并且无法找到目标。

模板I

int binarySearch(vector<int>& nums, int target)
{
	if(nums.size() == 0)
  		return -1;

  	int left = 0, right = nums.size() - 1;
  	while(left <= right)
  	{
    	// Prevent (left + right) overflow
    	int mid = left + (right - left) / 2;
    	if(nums[mid] == target){ return mid; }
    	else if(nums[mid] < target) { left = mid + 1; }
    	else { right = mid - 1; }
  	}
  	// End Condition: left > right
  	return -1;
}

• 二分查找的最基础和最基本的形式。
• 查找条件可以在不与元素的两侧进行比较的情况下确定（或使用它周围的特定元素）。
• 不需要后处理，因为每一步中，你都在检查是否找到了元素。如果到达末尾，则知道未找到该元素。
  

x 的平方根

class Solution {
public: 
    int mySqrt(int x) {
        if(x<2) return x;
        int left=1, right=x;
        while(left<=right) 
        {
            int mid=left+((right-left)/2);
            if(mid==x/mid) 
            {
                return mid;
            } 
            else if(mid<x/mid) 
            { 
                left=mid+1;
            } 
            else 
            {
                right=mid-1;
            }
        }
        return right;
    }
};

猜数字大小

/** 
 * Forward declaration of guess API.
 * @param  num   your guess
 * @return 	     -1 if num is higher than the picked number
 *			      1 if num is lower than the picked number
 *               otherwise return 0
 * int guess(int num);
 */

class Solution {
public:
    int guessNumber(int n) {
        int left=0,right=n;
        int mid,flag;
        while(left<=right)
        {
            mid=left+(right-left)/2;
            flag=guess(mid);
            if(flag==1)
            {
                left=mid+1;
            }
            else if(flag==-1)
            {
                right=mid-1;
            }
            else
            {
                return mid;
            }
        }
        return -1;
    }
};

搜索旋转排序数组

class Solution {
public:
    int search(vector<int>& nums, int target) {
        int left=0,right=nums.size()-1;
        while(left<=right)
        {
            int mid=left+(right-left)/2;
            if(nums[mid]==target)
                return mid;
            else if(nums[left]<=nums[mid])
            {
                //如果中间位置的元素大于或等于左边界的元素，说明左半部分是有序的。
                //此时，再判断目标元素是否处于左半部分的有序区间内。
                if(target<nums[mid]&&target>=nums[left])
                    right=mid-1;
                else
                    left=mid+1;
            }
            else
            {
                //如果中间位置的元素小于左边界的元素，说明右半部分是有序的。
                //此时，再判断目标元素是否处于右半部分的有序区间内。
                if(target<=nums[right]&&target>nums[mid])
                    left=mid+1;
                else
                    right=mid-1;
            }
        }
        return -1;
    }
};

模板II

int binarySearch(vector<int>& nums, int target){
  	if(nums.size() == 0)
    	return -1;

  	int left = 0, right = nums.size();
  	while(left < right){
    	// Prevent (left + right) overflow
    	int mid = left + (right - left) / 2;
    	if(nums[mid] == target){ return mid; }
    	else if(nums[mid] < target) { left = mid + 1; }
    	else { right = mid; }
  	}

  	// Post-processing:
  	// End Condition: left == right
  	if(left != nums.size() && nums[left] == target) return left;
  	return -1;
}

• 一种实现二分查找的高级方法。
• 查找条件需要访问元素的直接右邻居。
• 使用元素的右邻居来确定是否满足条件，并决定是向左还是向右。
• 保证查找空间在每一步中至少有 2 个元素。
• 需要进行后处理。 当你剩下 1 个元素时，循环 / 递归结束。 需要评估剩余元素是否符合条件。

第一个错误的版本

// The API isBadVersion is defined for you.
// bool isBadVersion(int version);

class Solution {
public:
    int firstBadVersion(int n) {
        int left=1;
        int right=n;
        while(left<right) 
        {
            int mid=left+(right-left)/2;
            if(isBadVersion(mid)) 
            {
                right=mid;
            } 
            else 
            {
                left=mid+1;
            }
        }
        return left;
    }
};

寻找峰值

class Solution {
public:
    int findPeakElement(vector<int>& nums) {
        int left=0;
        int right=nums.size()-1;
        while(left<right)
        {
        	//上坡有峰值
            int mid=left+(right-left)/2;
            if(nums[mid]>nums[mid+1])
            {
                right=mid;
            }
            else
            {
                left=mid+1;
            }
        }
        return left;
    }
};

模板III

int binarySearch(vector<int>& nums, int target){
    if (nums.size() == 0)
        return -1;

    int left = 0, right = nums.size() - 1;
    while (left + 1 < right){
        // Prevent (left + right) overflow
        int mid = left + (right - left) / 2;
        if (nums[mid] == target) {
            return mid;
        } else if (nums[mid] < target) {
            left = mid;
        } else {
            right = mid;
        }
    }

    // Post-processing:
    // End Condition: left + 1 == right
    if(nums[left] == target) return left;
    if(nums[right] == target) return right;
    return -1;
}

• 实现二分查找的另一种方法。
• 搜索条件需要访问元素的直接左右邻居。
• 使用元素的邻居来确定它是向右还是向左。
• 保证查找空间在每个步骤中至少有 3 个元素。
• 需要进行后处理。 当剩下 2 个元素时，循环 / 递归结束。 需要评估其余元素是否符合条件。

---

关于这所谓的三个模板，其实就分别对应三种区间的写法：

//作者：Jungle8884
//链接：https://leetcode.cn/leetbook/read/binary-search/xe22ch/?discussion=hqOQPt
//来源：力扣（LeetCode）
// 二分查找 --- [left, right]
    // 数组已经是有序的了!
    public static int binarySerach1(int[] nums, int target) {
        if (nums == null || nums.length == 0) {
            return -1;
        }
        int left = 0, right = nums.length-1;
        while (left <= right) {
            // 防止溢出 等同于(left + right)/2
            int mid = left + (right-left)/2;
            if (nums[mid] == target) {
                return mid;
            } else if (nums[mid] > target) {
                // target 在左区间，所以[left, middle - 1]
                right = mid-1;
            } else {
                // target 在右区间，所以[middle + 1, right]
                left = mid+1;
            }
        }

        return -1;
    }

    // 二分查找 --- [left, right)
    // 数组已经是有序的了!
    int binarySearch2(int[] nums, int target){
        if(nums == null || nums.length == 0)
            return -1;
        // 定义target在左闭右开的区间里，即：[left, right)
        int left = 0, right = nums.length;
        // 因为left == right的时候，在[left, right)是无效的空间，所以使用 <
        while(left < right){
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if(nums[mid] == target){
                return mid;
            }
            else if(nums[mid] < target) {
                //  target 在右区间，在[middle + 1, right)中
                left = mid + 1;
            }
            else {
                // target 在左区间，在[left, middle)中
                right = mid;
            }
        }

        // Post-processing:
        // End Condition: left == right
        if(left != nums.length && nums[left] == target) return left;
        return -1;
    }

    // 二分查找 --- (left, right)
    // 数组已经是有序的了!
    int binarySearch3(int[] nums, int target) {
        if (nums == null || nums.length == 0)
            return -1;

        int left = 0, right = nums.length - 1;
        while (left + 1 < right){
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if (nums[mid] == target) {
                return mid;
            } else if (nums[mid] < target) {
                //  target 在右区间，在(middle, right)中
                left = mid;
            } else {
                // target 在左区间，在(left, middle)中
                right = mid;
            }
        }

        // Post-processing:
        // End Condition: left + 1 == right
        if(nums[left] == target) return left;
        if(nums[right] == target) return right;
        return -1;
    }

在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置

class Solution {
public:
    vector<int> searchRange(vector<int>& nums, int target) {
        if(nums.size()==1)
        {//如果数组只有1个元素
            if(nums[0]==target) return vector<int>{0,0}; //判断该元素是否等于目标值
            else return vector<int>{-1,-1};
        }
        //用两次二分，这里用的是模板II
        vector<int> res={-1,-1}; //存储结果，初始化为{-1,-1}
        int left=0;
        int right=nums.size()-1;
        while(left<=right) 
        {//第一次二分查找，寻找左目标值
            int mid=left+(right-left)/2;
            if(nums[mid]==target) 
            { 
                res[0]=mid; 
                right=mid-1;
            }
            else if(nums[mid]>target) 
            { 
                right=mid-1;
            }
            else
            { 
                left=mid+1;
            }
        }
        left=0;
        right=nums.size()-1;
        while(left<=right)
        {//第二次二分查找，寻找右目标值
            int mid=left+(right-left)/2; 
            if(nums[mid]==target) 
            { 
                res[1]=mid; 
                left=mid+1;
            }
            else if(nums[mid]>target) 
            { 
                right=mid-1; 
            }
            else
            {
                left=mid+1; 
            }
        }
        return res; 
    }
};

找到 K 个最接近的元素❓

参考讨论区

class Solution {
public:
    vector<int> findClosestElements(vector<int>& arr, int k, int x) {
        vector<int> res;
        int left=0; 
        int right=arr.size()-1;
        for(int i=0;i<arr.size()-k;i++)
        {
            //如果左指针所指元素与x的差值小于等于右指针所指元素与x的差值，则将右指针向左移动一位
            if(abs(x-arr[left])<=abs(arr[right]-x)) right--; 
            else left++; //否则将左指针向右移动一位
        }
        
        for(int i=left;i<=right;i++) //将左指针到右指针之间的元素加入结果数组
            res.push_back(arr[i]);
        return res;
    }
};

模板小结