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Fix some figures.
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2023-08-21 19:33:45 +08:00
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commit 106f02809a
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# 二分查找
「二分查找 binary search」是一种基于分治思想的高效搜索算法。它利用数据的有序性,每轮减少一半搜索范围,直至找到目标元素或搜索区间为空为止。
「二分查找 binary search」是一种基于分治策略的高效搜索算法。它利用数据的有序性,每轮减少一半搜索范围,直至找到目标元素或搜索区间为空为止。
!!! question
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![二分查找示例数据](binary_search.assets/binary_search_example.png)
对于上述问题,我们先初始化指针 $i = 0$ 和 $j = n - 1$ ,分别指向数组首元素和尾元素,代表搜索区间 $[0, n - 1]$ 。请注意,中括号表示闭区间,其包含边界值本身。
如下图所示,我们先初始化指针 $i = 0$ 和 $j = n - 1$ ,分别指向数组首元素和尾元素,代表搜索区间 $[0, n - 1]$ 。请注意,中括号表示闭区间,其包含边界值本身。
接下来,循环执行以下两个步骤:
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如下图所示,在两种区间表示下,二分查找算法的初始化、循环条件和缩小区间操作皆有所不同。
“双闭区间”表示法中,由于左右边界都被定义为闭区间,因此指针 $i$ 和 $j$ 缩小区间操作也是对称的。这样更不容易出错。因此,**我们通常采用“双闭区间”的写法**。
由于“双闭区间”表示中的左右边界都被定义为闭区间,因此指针 $i$ 和 $j$ 缩小区间操作也是对称的。这样更不容易出错**因此一般建议采用“双闭区间”的写法**。
![两种区间定义](binary_search.assets/binary_search_ranges.png)
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实际上,我们可以利用查找最左元素的函数来查找最右元素,具体方法为:**将查找最右一个 `target` 转化为查找最左一个 `target + 1`**。
查找完成后,指针 $i$ 指向最左一个 `target + 1`(如果存在),而 $j$ 指向最右一个 `target` **因此返回 $j$ 即可**。
如下图所示,查找完成后,指针 $i$ 指向最左一个 `target + 1`(如果存在),而 $j$ 指向最右一个 `target` **因此返回 $j$ 即可**。
![将查找右边界转化为查找左边界](binary_search_edge.assets/binary_search_right_edge_by_left_edge.png)
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我们知道,当数组不包含 `target` 时,最后 $i$ , $j$ 会分别指向首个大于、小于 `target` 的元素。
根据上述结论,我们可以构造一个数组中不存在的元素,用于查找左右边界
根据上述结论,我们可以构造一个数组中不存在的元素,用于查找左右边界,如下图所示。
- 查找最左一个 `target` :可以转化为查找 `target - 0.5` ,并返回指针 $i$ 。
- 查找最右一个 `target` :可以转化为查找 `target + 0.5` ,并返回指针 $j$ 。
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假设数组中存在多个 `target` ,则普通二分查找只能返回其中一个 `target` 的索引,**而无法确定该元素的左边和右边还有多少 `target`**。
题目要求将目标元素插入到最左边,**所以我们需要查找数组中最左一个 `target` 的索引**。初步考虑通过以下两步实现
题目要求将目标元素插入到最左边,**所以我们需要查找数组中最左一个 `target` 的索引**。初步考虑通过下图所示的步骤实现
1. 执行二分查找,得到任意一个 `target` 的索引,记为 $k$ 。
2. 从索引 $k$ 开始,向左进行线性遍历,当找到最左边的 `target` 时返回。
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此方法虽然可用,但其包含线性查找,因此时间复杂度为 $O(n)$ 。当数组中存在很多重复的 `target` 时,该方法效率很低。
现考虑修改二分查找代码。整体流程不变,每轮先计算中点索引 $m$ ,再判断 `target` 和 `nums[m]` 大小关系:
现考虑拓展二分查找代码。如下图所示,整体流程保持不变,每轮先计算中点索引 $m$ ,再判断 `target` 和 `nums[m]` 大小关系:
1. 当 `nums[m] < target` 或 `nums[m] > target` 时,说明还没有找到 `target` ,因此采用普通二分查找的缩小区间操作,**从而使指针 $i$ 和 $j$ 向 `target` 靠近**。
2. 当 `nums[m] == target` 时,说明小于 `target` 的元素在区间 $[i, m - 1]$ 中,因此采用 $j = m - 1$ 来缩小区间,**从而使指针 $j$ 向小于 `target` 的元素靠近**。
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## 线性查找:以时间换空间
考虑直接遍历所有可能的组合。开启一个两层循环,在每轮中判断两个整数的和是否为 `target` ,若是则返回它们的索引。
考虑直接遍历所有可能的组合。如下图所示,我们开启一个两层循环,在每轮中判断两个整数的和是否为 `target` ,若是则返回它们的索引。
![线性查找求解两数之和](replace_linear_by_hashing.assets/two_sum_brute_force.png)
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## 哈希查找:以空间换时间
考虑借助一个哈希表,键值对分别为数组元素和元素索引。循环遍历数组,每轮执行
考虑借助一个哈希表,键值对分别为数组元素和元素索引。循环遍历数组,每轮执行下图所示的步骤。
1. 判断数字 `target - nums[i]` 是否在哈希表中,若是则直接返回这两个元素的索引。
2. 将键值对 `nums[i]` 和索引 `i` 添加进哈希表。