关于二分法的一些问题

需要知道的一些小技巧

以搜索区间为[0, len -1]为例子
左中位数下标数: (0 + len - 1) >>> 1
右中位数下标数: (0 + len - 1 + 1) >>> 1
左中位数为第k个: (len + 1) >>> 1
右中位数为第k个: (len + 1 >>> 1) + 1
其实,我们如果明白左中位数为第k个的公式是怎么得出来的,其他的就也都明白了。

  • 当数组个数(设为len)为奇数时,len / 2会得到一个小数,但是因为向下取整,所以小数部分并没有用,所以我们得到的其实是比中位数偏左的一个数。但是如果我们将len加上一使其len = len + 1变为偶数,那么len / 2结果就会比之前的结果多一,也就是说,现在得到的数就是中位数。那右中位数在左中位数的k上加一即可得到。
  • 当数组个数为偶数时,len >>> 1和 len + 1 >>> 1并无区别,得到的显然是左中位数了。
    右中位数也就是(len >>> 1) + 1

既然我们能够计算出左中位数为第k个,那我们如果想计算下标数,只需k - 1即可,即
((len + 1) >>> 1) - 1 -> (len - 1) >>> 1

其实以上说的并不是很容易理解记住,我们在计算中位数的时候可以先尝试举几个例子,然后再写公式。我是通过记住下标的公式,求个数的时候加一即可。

关于二分查找的模版

// 这样选取的是在最左侧出现的target
class Solution {
    public int searchInsert(int[] nums, int target) {
        int l = 0;
        int r = nums.length - 1; // 这里是len-1还是len取决于具体的问题
        while (l < r){ // 这里写作< 表示当l==r时,我们认为查询结束 但是l==r这个区间中其实是有一个值的 所以如果目标中不一定存在nums中,我们需要验证nums[r]是否=target 
            int mid = l + (r - l) / 2; // 根据下面的逻辑(left进行加一操作)决定选择左中位数
            if (target > nums[mid]){ // 左侧边界不会跳过任何一个=target的元素,保证target一定在其右侧或其指向target
                l = mid + 1;
            }
            else{ //不断收缩右侧边界,保留找到的target并持续向左收缩(找到nums第一个出现的target)
                r = mid;
            }
        }
        return r;
    }
}
// 这样选取的是在最右侧出现的target
class Solution {
    public int searchInsert(int[] nums, int target) {
        int l = 0;
        int r = nums.length - 1;
        while (l < r){
            int mid = l + (r - l + 1) / 2; // 根据具下面的逻辑(right进行减一操作)决定选择右中位数
            if (target < nums[mid]){ // 右侧边界不会跳过任何一个=target的树,保证target一定在其左侧或其指向target
                r = mid - 1;
            }
            else{ //不断收缩左侧边界,保留找到的target并持续向右收缩(找到nums最后出现的target)
                l = mid;
            }
        }
        return r;
    }
}

有几点需要注意

  1. 判断条件为<而非<=
  2. 边界更新,如果l = mid + 1,则mid = l + r >>>1即使用左中位数。反之,如果r = mid - 1,则mid = l + r + 1 >>> 1即选用右中位数,因为如果中位数选取的不对,可能会陷入死循环。具体的边界选取要根据题意进行判断,再写出边界更新之后 再根据其去选择是用左中位数还是右中位数。
  3. 有些时候问题会出现一些变形,那么就需要具体情况具体分析了
    边界可能并不是从0 - len - 1,可能是从0 - len;
    目标数组nums中并不一定存在target,这种情况下需要判断nums[r]是不是等于target
    要求找到第一个target或最后一个target,需要对模版进行选择

可能你会好奇,为什么要根据边界更新来选择中位数,为什么找第一个target和最后一个target可以通过不同的模版实现,下面我们就讲一下这个问题。

二分法的本质是对区间进行操作,每一次查找去掉(一半)无用的区间
如果我们想找到第一个target, 那么我们就应该不断缩小右侧,同时保证target始终在区间中。

我们分开讲这两个过程:缩小、保证

  • 缩小:当我们找到一个target之后,这个target的右侧的元素就不再是我们考虑范围内的了,虽然当前找到的target的右侧也可能有满足条件的元素,但因为我们要找的是第一个,也就是最左侧的,所以右侧的就不重要了。
  • 保证target在区间中:我们应该用right保留下来当前这个target 即让right = nums[mid];
    那么什么时候是满足条件的呢?当 nums[mid] >= target时,这个nums[mid]就可能满足条件(当然target可能并不是确定的数字 具体问题需要具体分析)。那么显然当 nums[mid] < target时,这个nums[mid]就是一定不满足条件的,应该被排除,所以left = mid + 1

如果想找最后一个target,也是相同的原理,可以自己分析一下

到这里,我们就讲完了为什么找第一个target和最后一个target可以通过不同的模版实现,下面我们讲一下为什么要根据边界更新来选择中位数。

我们还是以找第一个target为例

通过以上,我们可以概括出一句话左边界负责找到满足条件的范围,右边界负责收缩

我们采取反证法:如果取右中位数,那么考虑只剩两个元素的时候。如果nums[mid]满足条件,那么自然有right=mid,而因为是右中位数,所以right就是mid。显然,此时无法收缩了(所以模版要求这么做 谁=mid + 1就应该用哪个中位数)。
其内在原理是,left和right总是一个负责排除,一个负责收缩。
举个例子,当我们使用left去排除,即left = mid + 1, 那么right必然是收缩 right = mid,这时我们使用左中位数可以保证不管是排除还是收缩,区间都会变小(排除不用说了,肯定会变小;收缩的话至少也会将右中位数收缩掉)。反之,如果使用右中位数,那么收缩的时候区间可能不会变小(即上面说的只剩两个元素的情况)。

所以我们才选择使用左中位数,因为这样右边界才总能收缩到第一个满足条件的元素

现在再来我们试想 即使我们一开始找到的是一个大于target的数字 是不是边界不断收缩 最终找到的还是第一个满足条件的元素。

下面是我总结的一些题目要求及对应的解法

  1. 若题目中明确说明输入的数组一定包含要找的目标值target 那么 l = 0; r = nums.length - 1; return r当然也可以return l 因为l = r
  2. 若题目中的输入数组中不一定含有要找到目标值target,那么大体可以划分成一下几个情况
    1)若不存在要求返回-1 那么 l = 0; r = nums.length - 1; 在循环结束后 需要判断nums[right] 是否=target,若是就按照题目要求返回 不是就返回-1
    2)若不存在要求返回它应该在的位置(第一个比target大的数的位置) 那么 l = 0; r = nums.length(如果target比nums中所有元素都大 那么他返回的index应该是nums.length) 。而且在这种情况下 应选择使用左中位数。
    3)若不存在要求返回第一个比他小的数的位置 那么l = -1(如果target比nums中所有元素都小 那么他返回的index应该是-1); r = nums.length-1 在这种情况下 选择使用右中位数。

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