LeetCode704.二分查找及二分法

LeetCode704.二分查找

问题描述：给定一个 n 个元素有序的（升序）整型数组 nums 和一个目标值 target ，写一个函数搜索 nums 中的 target，如果目标值存在返回下标，否则返回 -1。

示例 1:

输入: nums = [-1,0,3,5,9,12], target = 9
输出: 4
解释: 9 出现在 nums 中并且下标为 4

示例 2:

输入: nums = [-1,0,3,5,9,12], target = 2
输出: -1
解释: 2 不存在 nums 中因此返回 -1

提示：

1. 你可以假设 nums 中的所有元素是不重复的。
2. n 将在 [1, 10000]之间。
3. nums 的每个元素都将在 [-9999, 9999]之间。

知识点：二分法

1. 定义：二分查找算法也称折半搜索算法，对数搜索算法，是一种在有序数组中查找某一特定元素的搜索算法。搜索过程从数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜索过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从中间元素开始比较。如果在某一步骤数组为空，则代表找不到。这种搜索算法每一次比较都使搜索范围缩小一半，时间复杂度是log(n)

   1. 一是有序数组（这里可能是整体有序比如[1,2,3,4,5]，也有可能是局部有序比如[4,5,1,2,3]），
   2. 二是特定元素（也有可能是满足特定的条件）。由定义我们大概就知道了二分法的应用场景，在有序数组中找特定值都可以考虑用二分法

2. 二分法的步骤
   ​我们要在一组升序的数组找一个数的下标，那我们肯定是先拿中间的与他进行比较，比较大小的判断，其实就相当于是这个性质，且这个 性质满足二段性，将大于和小于我们要查找的值分为两段，而我们的查找结果就是分界点

3. 二分法的使用条件：①上下界确定 ②区间内有序（也可以是局部有序）

解题

思路：①这道题目的前提是数组为有序数组，同时题目还强调数组中无重复元素，因为一旦有重复元素，使用二分查找法返回的元素下标可能不是唯一的，这些都是使用二分法的前提条件②二分查找涉及的很多的边界条件，逻辑比较简单，但就是写不好。例如到底是 while(left < right) 还是 while(left <= right)，到底是right = middle呢，还是要right = middle - 1呢？③写二分法，区间的定义一般为两种，左闭右闭即[left, right]，或者左闭右开即[left, right)。

1. 第一种写法，定义 target 是在一个在左闭右闭的区间里，也就是[left, right] （这个很重要非常重要）。
   区间的定义这就决定了二分法的代码应该如何写，因为定义target在[left, right]区间，所以有如下两点：

   • while (left <= right) 要使用 <= ，因为left == right是有意义的，所以使用 <=
   • if (nums[middle] > target) right 要赋值为 middle - 1，因为当前这个nums[middle]一定不是target，那么接下来要查找的左区间结束下标位置就是 middle - 1
     例如在数组：1,2,3,4,7,9,10中查找元素2，如图所示：
     

2. 第二种方法

   如果说定义 target 是在一个在左闭右开的区间里，也就是[left, right) ，那么二分法的边界处理方式则截然不同。
   有如下两点：

   • while (left < right)，这里使用 < ,因为left == right在区间[left, right)是没有意义的
   • if (nums[middle] > target) right 更新为 middle，因为当前nums[middle]不等于target，去左区间继续寻找，而寻找区间是左闭右开区间，所以right更新为middle，即：下一个查询区间不会去比较nums[middle]

   在数组：1,2,3,4,7,9,10中查找元素2，如图所示：（注意和方法一的区别）
   

代码

python：（版本一）左闭右闭区间

class Solution:
    def search(self, nums: List[int], target: int) -> int:
        left, right = 0, len(nums) - 1  # 定义target在左闭右闭的区间里，[left, right]

        while left <= right:
            mid = (left + right)/2
            
            if nums[middle] > target:
                right = middle - 1  # target在左区间，所以[left, middle - 1]
            elif nums[middle] < target:
                left = middle + 1  # target在右区间，所以[middle + 1, right]
            else:
                return middle  # 数组中找到目标值，直接返回下标
        return -1  # 未找到目标值

python：（版本二）左闭右开区间

class Solution:
    def search(self, nums: List[int], target: int) -> int:
        left, right = 0, len(nums)  # 定义target在左闭右开的区间里，即：[left, right)

        while left < right:  # 因为left == right的时候，在[left, right)是无效的空间，所以使用 <
            mid = (left + right)/2

            if nums[middle] > target:
                right = middle  # target 在左区间，在[left, middle)中
            elif nums[middle] < target:
                left = middle + 1  # target 在右区间，在[middle + 1, right)中
            else:
                return middle  # 数组中找到目标值，直接返回下标
        return -1  # 未找到目标值

C++：（版本一）左闭右闭区间

class Solution {
public:
    int search(vector<int>& nums, int target) {
        int left = 0;
        int 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 middle = (left + right)/2;// 防止溢出 等同于(left + right)/2
            if (nums[middle] > target) {
                right = middle - 1; // target 在左区间，所以[left, middle - 1]
            } else if (nums[middle] < target) {
                left = middle + 1; // target 在右区间，所以[middle + 1, right]
            } else { // nums[middle] == target
                return middle; // 数组中找到目标值，直接返回下标
            }
        }
        // 未找到目标值
        return -1;
    }
};

C++：（版本二）左闭右开区间

class Solution {
public:
    int search(vector<int>& nums, int target) {
        int left = 0;
        int right = nums.size(); // 定义target在左闭右开的区间里，即：[left, right)
        while (left < right) { // 因为left == right的时候，在[left, right)是无效的空间，所以使用 <
            int middle = (left + right)/2;
            if (nums[middle] > target) {
                right = middle; // target 在左区间，在[left, middle)中
            } else if (nums[middle] < target) {
                left = middle + 1; // target 在右区间，在[middle + 1, right)中
            } else { // nums[middle] == target
                return middle; // 数组中找到目标值，直接返回下标
            }
        }
        // 未找到目标值
        return -1;
    }
};