leetcode-4:寻找两个有序数组的中位数

给定两个大小为 m 和 n 的有序数组 nums1 和 nums2。
请你找出这两个有序数组的中位数,并且要求算法的时间复杂度为 O(log(m + n))。
你可以假设 nums1 和 nums2 不会同时为空。

示例 1:
nums1 = [1, 3]
nums2 = [2]
则中位数是 2.0

示例 2:
nums1 = [1, 2]
nums2 = [3, 4]
则中位数是 (2 + 3)/2 = 2.5

可以想到的最直接的方法将两个数组归并排序,合并成一个数组,然后根据数组的长度取中间的数值。但题目要求时间复杂度为O(log(m+n)),有log,而且数组是有序的,可以想到要折半查找,尝试着写了一下,发现由于是两个数组,而且由于奇偶数的问题,会有很多边界的情况,看了题解,总结两种方法如下:

解法一

中位数是指一个有序集合中间的那个数值,可以将集合划分为左右两个部分,左半部分都小于中位数,右半部分大于中位数。
对于一个数组序列,如果长度为偶数,可以得到一个划分,左半部分和右半部分元素的个数完全相等,中位数则为中间两个数值的均值,如果数组的长度为奇数,则可以得到一个划分,中位数为左半部分最后一个元素或者右半部分第一个元素(取决于划分的位置)。
对于两个数组的情况,同样划分为两个部分,记两个数组为A和B,长度分别为m、n,划分的位置为i,j,如图所示:


划分

对于奇偶两种况,分别考虑满足条件的场景。
对于m+n为偶数的情况,如果我们能找到一个划分,满足下面两个条件:

1.划分的左半部分和右半部分的元素个数完全相等,即i+j=(m-i)+(n-j).
2.左半部分的最大值小于右半部分的最小值,即Max(a[i-1],b[j-1])<=Min(a[i],b[j]).
则中位数为中间两个数的平均值,为(Max(a[i-1],b[j-1])+Min(a[i],b[j]).)/2.

对于m+n为奇数的情况,如果我们能找到一个划分,满足下面两个条件:

1.划分左半部分的比右半部分多一个元素,即i+j=(m-i)+(n-j)+1.
2.左半部分的最大值小于右半部分的最小值,即Max(a[i-1],b[j-1])<=Min(a[i],b[j]).
则中位数为左半部分的最后一个元素,即Max(a[i-1],b[j-1])。

对于奇数的情况,当然也可以让右半部分比左半部分多一个元素,即i+j=(m-i)+(n-j)-1,则中位数为右半部分的第一个元素。我们选择第一种,后面会说为什么选择左边多一个。
下面的问题是如何找到满足条件的划分,对于第一个条件,m和n是固定的,i,j是不定的,可以改变其中一个值,另外一个值动态计算,例如不停的改变i,则对于偶数情况,j=(m+n)/2-i,对于奇数情况,j=(m+n+1)/2-i,由于除法是向下取整,所以+1不影响结果,两种情况可以合并成j=(m+n+1)/2-i。由于0<=i<=m,所以为了满足0 <=j<=n,m必须小于等于n。
再考虑第二个条件,先看不满足的情况,即Max(a[i-1],b[j-1])>Min(a[i],b[j]),具体如下:

Max(a[i-1],b[j-1])  >  Min(a[i],b[j])
      a[i-1]        >        a[i]
      a[i-1]        >        b[j]
      b[j-1]        >        a[i]
      b[j-1]        >        b[j]
由于A、B数组是有序的,所以1、4情况是不可能的。    

当a[i-1]>b[j]的时候,说明A的左半部分元素偏大了,需要将i左移,减少A左半部分的元素,同时根据条件一对应调整j的值。
当b[j-1]>a[i]的时候,说明B的左半部分元素偏大了,需要将i右移,同时根据条件一对应调整j的值。
剩下需要考虑的就是边界情况了,即i=0,j=0,i=m,j=n,当i=0时,a[i-1]不存在,则Max(a[i-1],b[j-1])为b[j-1],同理可得其他三种情况。
所有的情况理清楚之后,则可以写代码了,移动i的方式为折半查找,具体如下:

class Solution {
    public double findMedianSortedArrays(int[] nums1, int[] nums2) {
        int m = nums1.length;
        int n = nums2.length;
        if(m > n)
        {
            return findMedianSortedArrays(nums2, nums1);
        }
        int iMin=0, iMax = m;
        while(iMin<=iMax)
        {
            int i = (iMin+iMax)/2;
            int j = (m+n+1)/2 - i;
            //a[i-1]>b[j]
            if(i!=0 && j!=n && nums1[i-1] > nums2[j])
            {
                iMax = i - 1;
            }
            //b[j-1] > a[i]
            else if(j!=0 && i!=m && nums2[j-1] > nums1[i])
            {
                iMin = i + 1;
            }
            else{
                int maxLeft = 0;
                if(i == 0)
                {
                    maxLeft = nums2[j-1];
                }else if(j == 0)
                {
                    maxLeft = nums1[i-1];
                }else{
                    maxLeft = Math.max(nums1[i-1], nums2[j-1]);
                }
                if(0 != (m+n)%2)
                {
                    return maxLeft;
                }
                int minR = 0;
                if(i==m)
                {
                    minR = nums2[j];
                }else if(j==n)
                {
                    minR = nums1[i];
                }else{
                    minR = Math.min(nums1[i],nums2[j]);
                }
                return (maxLeft + minR) / 2.0f;
            }
        }
        return 0.0f;
    }

}

解法二

参考求第K小的数。
TODO:

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