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synced 2026-08-15 05:00:59 +00:00
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This commit is contained in:
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#1021" class="md-nav__link">
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10.2.1. 查找最左一个元素
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10.2.1. 简单方法
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<a href="#1022" class="md-nav__link">
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10.2.2. 查找最右一个元素
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10.2.2. 二分方法
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<a href="#1023" class="md-nav__link">
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10.2.3. 查找右边界
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10.2.1. 查找最左一个元素
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10.2.1. 简单方法
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10.2.2. 查找最右一个元素
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10.2.2. 二分方法
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10.2.3. 查找右边界
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<h1 id="102">10.2. 二分查找边界<a class="headerlink" href="#102" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>上一节规定目标元素在数组中是唯一的。如果目标元素在数组中多次出现,上节介绍的方法只能保证返回其中一个目标元素的索引,<strong>而无法确定该索引的左边和右边还有多少目标元素</strong>。</p>
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<p>为了查找最左一个 <code>target</code> ,我们可以先进行二分查找,找到任意一个目标元素,<strong>再加一个向左遍历的线性查找</strong>,找到最左的 <code>target</code> 返回即可。然而,由于加入了线性查找,这个方法的时间复杂度可能会劣化至 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 。</p>
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<p><img alt="线性查找最左元素" src="../binary_search_edge.assets/binary_search_left_edge_naive.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 线性查找最左元素 </p>
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<h2 id="1021">10.2.1. 查找最左一个元素<a class="headerlink" href="#1021" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<div class="admonition question">
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<p class="admonition-title">Question</p>
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<p>给定一个长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的有序数组 <code>nums</code> 。请查找并返回元素 <code>target</code> 在该数组中首次出现的索引。若数组中不包含该元素,则返回 <span class="arithmatex">\(-1\)</span> 。数组可能包含重复元素。</p>
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<p>给定一个长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的有序数组 <code>nums</code> ,数组可能包含重复元素。请查找并返回元素 <code>target</code> 在数组中首次出现的索引。若数组中不包含该元素,则返回 <span class="arithmatex">\(-1\)</span> 。</p>
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</div>
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<p>实际上,我们可以仅通过二分查找解决以上问题。方法的整体框架不变,先计算中点索引 <code>m</code> ,再判断 <code>target</code> 和 <code>nums[m]</code> 大小关系:</p>
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<h2 id="1021">10.2.1. 简单方法<a class="headerlink" href="#1021" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>为了查找数组中最左边的 <code>target</code> ,我们可以分为两步:</p>
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<ol>
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<li>进行二分查找,定位到任意一个 <code>target</code> 的索引,记为 <span class="arithmatex">\(k\)</span> ;</li>
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<li>以索引 <span class="arithmatex">\(k\)</span> 为起始点,向左进行线性遍历,找到最左边的 <code>target</code> 返回即可。</li>
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</ol>
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<p><img alt="线性查找最左边的元素" src="../binary_search_edge.assets/binary_search_left_edge_naive.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 线性查找最左边的元素 </p>
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<p>这个方法虽然有效,但由于包含线性查找,<strong>其时间复杂度可能会劣化至 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong> 。</p>
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<h2 id="1022">10.2.2. 二分方法<a class="headerlink" href="#1022" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>实际上,我们可以仅通过二分查找解决以上问题。整体算法流程不变,先计算中点索引 <span class="arithmatex">\(m\)</span> ,再判断 <code>target</code> 和 <code>nums[m]</code> 大小关系:</p>
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<ul>
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<li>当 <code>nums[m] < target</code> 或 <code>nums[m] > target</code> 时,说明还没有找到 <code>target</code> ,因此采取与上节代码相同的缩小区间操作。</li>
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<li>当 <code>nums[m] == target</code> 时,说明找到了一个目标元素,此时应该如何缩小区间?</li>
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</ul>
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<p>对于该情况,<strong>我们可以将查找目标想象为 <code>leftarget</code></strong>,其中 <code>leftarget</code> 表示从右到左首个小于 <code>target</code> 的元素。具体来说:</p>
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<ul>
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<li>当 <code>nums[m] == target</code> 时,说明 <code>leftarget</code> 在区间 <code>[i, m - 1]</code> 中,因此采用 <code>j = m - 1</code> 来缩小区间,<strong>从而使指针 <code>j</code> 向 <code>leftarget</code> 收缩靠近</strong>。</li>
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<li>二分查找完成后,<code>i</code> 指向最左一个 <code>target</code> ,<code>j</code> 指向 <code>leftarget</code> ,因此最终返回索引 <code>i</code> 即可。</li>
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<li>当 <code>nums[m] < target</code> 或 <code>nums[m] > target</code> 时,说明还没有找到 <code>target</code> ,因此采取与上节代码相同的缩小区间操作,<strong>从而使指针 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 向 <code>target</code> 靠近</strong>。</li>
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<li>当 <code>nums[m] == target</code> 时,说明“小于 <code>target</code> 的元素”在区间 <span class="arithmatex">\([i, m - 1]\)</span> 中,因此采用 <span class="arithmatex">\(j = m - 1\)</span> 来缩小区间,<strong>从而使指针 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 向小于 <code>target</code> 的元素靠近</strong>。</li>
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</ul>
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<p>二分查找完成后,<strong><span class="arithmatex">\(i\)</span> 指向最左边的 <code>target</code> ,<span class="arithmatex">\(j\)</span> 指向首个小于 <code>target</code> 的元素</strong>,因此返回索引 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 即可。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:8"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1"><1></label><label for="__tabbed_1_2"><2></label><label for="__tabbed_1_3"><3></label><label for="__tabbed_1_4"><4></label><label for="__tabbed_1_5"><5></label><label for="__tabbed_1_6"><6></label><label for="__tabbed_1_7"><7></label><label for="__tabbed_1_8"><8></label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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<p><img alt="二分查找最左元素的步骤" src="../binary_search_edge.assets/binary_search_left_edge_step1.png" /></p>
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<p><img alt="二分查找最左边元素的步骤" src="../binary_search_edge.assets/binary_search_left_edge_step1.png" /></p>
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</div>
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<div class="tabbed-block">
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<p><img alt="binary_search_left_edge_step2" src="../binary_search_edge.assets/binary_search_left_edge_step2.png" /></p>
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@@ -1923,7 +1939,7 @@
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</div>
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</div>
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</div>
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<p>注意,数组可能不包含目标元素 <code>target</code> 。因此在函数返回前,我们需要先判断 <code>nums[i]</code> 与 <code>target</code> 是否相等。另外,当 <code>target</code> 大于数组中的所有元素时,索引 <code>i</code> 会越界,因此也需要额外判断。</p>
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<p>注意,数组可能不包含目标元素 <code>target</code> 。因此在函数返回前,我们需要先判断 <code>nums[i]</code> 与 <code>target</code> 是否相等,以及索引 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 是否越界。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:10"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_6" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_7" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_8" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_9" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_10" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">Java</label><label for="__tabbed_2_2">C++</label><label for="__tabbed_2_3">Python</label><label for="__tabbed_2_4">Go</label><label for="__tabbed_2_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_2_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_2_7">C</label><label for="__tabbed_2_8">C#</label><label for="__tabbed_2_9">Swift</label><label for="__tabbed_2_10">Zig</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -2012,12 +2028,9 @@
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</div>
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</div>
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</div>
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<h2 id="1022">10.2.2. 查找最右一个元素<a class="headerlink" href="#1022" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>类似地,我们也可以二分查找最右一个元素。设首个大于 <code>target</code> 的元素为 <code>rightarget</code> 。</p>
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<ul>
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<li>当 <code>nums[m] == target</code> 时,说明 <code>rightarget</code> 在区间 <code>[m + 1, j]</code> 中,因此执行 <code>i = m + 1</code> 将搜索区间向右收缩。</li>
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<li>完成二分后,<code>i</code> 指向 <code>rightarget</code> ,<code>j</code> 指向最右一个 <code>target</code> ,因此最终返回索引 <code>j</code> 即可。</li>
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</ul>
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<h2 id="1023">10.2.3. 查找右边界<a class="headerlink" href="#1023" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>类似地,我们也可以二分查找最右边的 <code>target</code> 。当 <code>nums[m] == target</code> 时,说明大于 <code>target</code> 的元素在区间 <span class="arithmatex">\([m + 1, j]\)</span> 中,因此执行 <code>i = m + 1</code> ,<strong>使得指针 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 向大于 <code>target</code> 的元素靠近</strong>。</p>
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<p>完成二分后,<strong><span class="arithmatex">\(i\)</span> 指向首个大于 <code>target</code> 的元素,<span class="arithmatex">\(j\)</span> 指向最右边的 <code>target</code></strong> ,因此返回索引 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 即可。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:10"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_6" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_7" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_8" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_9" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_10" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">Java</label><label for="__tabbed_3_2">C++</label><label for="__tabbed_3_3">Python</label><label for="__tabbed_3_4">Go</label><label for="__tabbed_3_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_3_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_3_7">C</label><label for="__tabbed_3_8">C#</label><label for="__tabbed_3_9">Swift</label><label for="__tabbed_3_10">Zig</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -2106,9 +2119,9 @@
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</div>
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</div>
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</div>
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<p>观察下图,搜索最右元素时指针 <code>j</code> 起到了搜索最左元素时指针 <code>i</code> 的作用,反之亦然。本质上看,<strong>搜索最左元素和最右元素的实现是镜像对称的</strong>。</p>
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<p><img alt="二分查找最左元素和最右元素" src="../binary_search_edge.assets/binary_search_left_right_edge.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 二分查找最左元素和最右元素 </p>
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<p>观察下图,搜索最右边元素时指针 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 的作用与搜索最左边元素时指针 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 的作用一致,反之亦然。也就是说,<strong>搜索最左边元素和最右边元素的实现是镜像对称的</strong>。</p>
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<p><img alt="查找最左边和最右边元素的对称性" src="../binary_search_edge.assets/binary_search_left_right_edge.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 查找最左边和最右边元素的对称性 </p>
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<div class="admonition tip">
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<p class="admonition-title">Tip</p>
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