【算法优选】二分查找专题——贰

Myth丶恋晨 2024-04-17 10:31 157阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  ?前言
 *  ?\[山脉数组的峰顶索引\](https://leetcode.cn/problems/peak-index-in-a-mountain-array/)
 *   *  ?题目描述：
     *  ?算法思路
     *  ?代码实现：
 *  ?\[寻找峰值\](https://leetcode.cn/problems/find-peak-element/submissions/)
 *   *  ?题目描述
     *  ?算法思路：
     *  ?代码实现
 *  ?\[寻找旋转排序数组中的最小值\](https://leetcode.cn/problems/find-minimum-in-rotated-sorted-array/)
 *   *  ?题目描述
     *  ?算法思路
     *  ?代码实现
 *  ?\[点名\](https://leetcode.cn/problems/que-shi-de-shu-zi-lcof/)
 *   *  ?题目描述
     *  ?思路解析
     *  ?代码实现
 *  ⭕总结

## ?前言 ##

二分查找也称折半查找（Binary Search），它是一种效率较高的查找方法。但是，折半查找要求线性表必须采用顺序存储结构，而且表中元素按关键字有序排列。

***查找过程***：

> 首先，假设表中元素是按升序排列，将表中间位置记录的关键字与查找关键字比较，如果两者相等，则查找成功；否则利用中间位置记录将表分成前、后两个子表，如果中间位置记录的关键字大于查找关键字，则进一步查找前一子表，否则进一步查找后一子表。重复以上过程，直到找到满足条件的记录，使查找成功，或直到子表不存在为止，此时查找不成功。

***算法要求***：

> 1.必须采用顺序存储结构。  
> 2.必须按关键字大小有序排列。

***比较次数***：

> 计算公式：  
> 当顺序表有n个关键字时：  
> 查找失败时，至少比较a次关键字；  
> 查找成功时，最多比较关键字次数是b。  
> 注意：a,b,n均为正整数。

***算法复杂度***：

> 二分查找的基本思想是将n个元素分成大致相等的两部分，取a\[n/2\]与x做比较，如果x=a\[n/2\],则找到x,算法中止；如果x<a\[n/2\],则只要在数组a的左半部分继续搜索x,如果x>a\[n/2\],则只要在数组a的右半部搜索x.  
> 时间复杂度即是while循环的次数。  
> 总共有n个元素，  
> 渐渐跟下去就是n,n/2,n/4,…n/2^k（接下来操作元素的剩余个数），其中k就是循环的次数  
> 由于你n/2^k取整后>=1  
> 即令n/2^k=1  
> 可得k=log2n,（是以2为底，n的对数）  
> 所以时间复杂度可以表示O(h)=O(log2n)

## ?[山脉数组的峰顶索引][Link 1] ##

### ?题目描述： ###

符合下列属性的数组 arr 称为 山脉数组 ：  
arr.length >= 3  
存在 i（0 < i < arr.length - 1）使得：

*  arr\[0\] < arr\[1\] < … arr\[i-1\] < arr\[i\]
 *  arr\[i\] > arr\[i+1\] > … > arr\[arr.length - 1\]

给你由整数组成的山脉数组 arr ，返回满足 arr\[0\] < arr\[1\] < … arr\[i - 1\] < arr\[i\] > arr\[i + 1\] > … > arr\[arr.length - 1\] 的下标 i 。

你必须设计并实现时间复杂度为 O(log(n)) 的解决方案。

*  示例 1：  
    输入：arr = \[0,1,0\]  
    输出：1
 *  示例 2：  
    输入：arr = \[0,2,1,0\]  
    输出：1
 *  示例 3：  
    输入：arr = \[0,10,5,2\]  
    输出：1

class Solution {
        
        public int peakIndexInMountainArray(int[] arr) {
        
    
        }
    }

### ?算法思路 ###

1、分析峰顶位置的数据特点，以及⼭峰两旁的数据的特点：

*  峰顶数据特点： arr\[i\] > arr\[i - 1\] && arr\[i\] > arr\[i + 1\] ；
 *  峰顶左边的数据特点： arr\[i\] > arr\[i - 1\] && arr\[i\] < arr\[i + 1\] ，也就是呈现上升趋势
 *  峰顶右边数据的特点： arr\[i\] < arr\[i - 1\] && arr\[i\] > arr\[i + 1\] ，也就是呈现下降趋势

2.、因此，根据 mid 位置的信息，我们可以分为下⾯三种情况：

*  如果 mid 位置呈现上升趋势，说明我们接下来要在 \[mid + 1, right\] 区间继续搜索；
 *  如果 mid 位置呈现下降趋势，说明我们接下来要在 \[left, mid - 1\] 区间搜索；
 *  如果 mid 位置就是⼭峰，直接返回结果

### ?代码实现： ###

class Solution {
        
        public int peakIndexInMountainArray(int[] arr) {
        
            int left = 1;
            int right = arr.length - 2;
            while(left < right) {
        
                int mid = left + (right - left + 1) / 2;
                if(arr[mid] > arr[mid - 1]) {
        
                    left = mid;
                } else {
        
                    right = mid - 1;
                }
            }
            return left;
        }
    }

## ?[寻找峰值][Link 2] ##

### ?题目描述 ###

峰值元素是指其值严格大于左右相邻值的元素。

给你一个整数数组 nums，找到峰值元素并返回其索引。数组可能包含多个峰值，在这种情况下，返回 任何一个峰值 所在位置即可。

你可以假设 nums\[-1\] = nums\[n\] = -∞ 。

你必须实现时间复杂度为 O(log n) 的算法来解决此问题。

*  示例 1：  
    输入：nums = \[1,2,3,1\]  
    输出：2  
    解释：3 是峰值元素，你的函数应该返回其索引 2。
 *  示例 2：  
    输入：nums = \[1,2,1,3,5,6,4\]  
    输出：1 或 5  
    解释：你的函数可以返回索引 1，其峰值元素为 2；或者返回索引 5， 其峰值元素为 6。

class Solution {
        
        public int findPeakElement(int[] nums) {
        
    
        }
    }

### ?算法思路： ###

寻找⼆段性：  
任取⼀个点 i ，与下⼀个点 i + 1 ，会有如下两种情况：

1.  arr\[i\] > arr\[i + 1\] ：此时「左侧区域」⼀定会存在⼭峰（因为最左侧是负⽆穷），那么我们可以去左侧去寻找结果；
2.  arr\[i\] < arr\[i + 1\] ：此时「右侧区域」⼀定会存在⼭峰（因为最右侧是负⽆穷），那么我们可以去右侧去寻找结果

***当我们找到「⼆段性」的时候，就可以尝试⽤「⼆分查找」算法来解决问题***

### ?代码实现 ###

class Solution {
        
        public int findPeakElement(int[] nums) {
        
            int left = 0;
            int right = nums.length - 1;
            if(right < 1) {
        
                return 0;
            }
            while(left < right) {
        
                int cmd = (left + right + 1) / 2;
                if(nums[cmd -1] <= nums[cmd] ) {
        
                    left = cmd;
                } else {
        
                    right = cmd -1;
                }
            }
            return left;
        }
    }

## ?[寻找旋转排序数组中的最小值][Link 3] ##

### ?题目描述 ###

已知一个长度为 n 的数组，预先按照升序排列，经由 1 到 n 次 旋转 后，得到输入数组。例如，原数组 nums = \[0,1,2,4,5,6,7\] 在变化后可能得到：

*  若旋转 4 次，则可以得到 \[4,5,6,7,0,1,2\]
 *  若旋转 7 次，则可以得到 \[0,1,2,4,5,6,7\]

注意，数组 \[a\[0\], a\[1\], a\[2\], …, a\[n-1\]\] 旋转一次 的结果为数组 \[a\[n-1\], a\[0\], a\[1\], a\[2\], …, a\[n-2\]\] 。

给你一个元素值 互不相同 的数组 nums ，它原来是一个升序排列的数组，并按上述情形进行了多次旋转。请你找出并返回数组中的 最小元素 。

你必须设计一个时间复杂度为 O(log n) 的算法解决此问题。

*  示例 1：  
    输入：nums = \[3,4,5,1,2\]  
    输出：1  
    解释：原数组为 \[1,2,3,4,5\] ，旋转 3 次得到输入数组。
 *  示例 2：  
    输入：nums = \[4,5,6,7,0,1,2\]  
    输出：0  
    解释：原数组为 \[0,1,2,4,5,6,7\] ，旋转 4 次得到输入数组。
 *  示例 3：  
    输入：nums = \[11,13,15,17\]  
    输出：11  
    解释：原数组为 \[11,13,15,17\] ，旋转 4 次得到输入数组

class Solution {
        
        public int findMin(int[] nums) {
        
    
        }
    }

### ?算法思路 ###

题⽬中的数组规则如下图所⽰：  
![在这里插入图片描述][1ab1dc610b374056970312253c528bfa.png]  
其中 C 点就是我们要求的点。

⼆分的本质：找到⼀个判断标准，使得查找区间能够⼀分为⼆。

通过图像我们可以发现， \[A，B\] 区间内的点都是严格⼤于 D 点的值的， C 点的值是严格⼩于 D 点的值的。但是当 \[C，D\] 区间只有⼀个元素的时候， C 点的值是可能等于 D 点的值的。

因此，初始化左右两个指针 left ， right ：

然后根据 mid 的落点，我们可以这样划分下⼀次查询的区间：

*  当 mid 在 \[A，B\] 区间的时候，也就是 mid 位置的值严格⼤于 D 点的值，下⼀次查询区间在 \[mid + 1，right\] 上；
 *  当 mid 在 \[C，D\] 区间的时候，也就是 mid 位置的值严格⼩于等于 D 点的值，下次

查询区间在 \[left，mid\] 上。

当区间⻓度变成 1 的时候，就是我们要找的结果

### ?代码实现 ###

class Solution {
        
        public int findMin(int[] nums) {
        
            int left = 0;
            int right = nums.length - 1;
            int cmp = nums[right];
            while(left < right) {
        
                int cmd = (left + right ) / 2;
                if(nums[cmd] > cmp) {
        
                    left = cmd + 1;
                } else {
        
                    right = cmd;
                }
            }
            return nums[left];
        }
    }

## ?[点名][Link 4] ##

### ?题目描述 ###

某班级 n 位同学的学号为 0 ~ n-1。点名结果记录于升序数组 records。假定仅有一位同学缺席，请返回他的学号。

*  示例 1:  
    输入: records = \[0,1,2,3,5\]  
    输出: 4
 *  示例 2:  
    输入: records = \[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8\]  
    输出: 7

### ?思路解析 ###

关于这道题中，时间复杂度为 O(N) 的解法有很多种，⽽且也是⽐较好想的，这⾥就不再赘述。

本题只讲解⼀个最优的⼆分法，来解决这个问题。  
在这个升序的数组中，我们发现：

*  在第⼀个缺失位置的左边，数组内的元素都是与数组的下标相等的；
 *  在第⼀个缺失位置的右边，数组内的元素与数组下标是不相等的。

因此，我们可以利⽤这个「⼆段性」，来使⽤「⼆分查找」算法。

### ?代码实现 ###

class Solution {
        
        public int missingNumber(int[] nums) {
        
            int left = 0;
            int right = nums.length - 1;
            while(left < right) {
        
                int mid = left + (right - left) / 2;
                if(nums[mid] == mid) {
        
                    left = mid + 1;
                } else {
        
                    right = mid;
                }
            }
            return left == nums[left] ? left + 1 : left;
        }
    }

## ⭕总结 ##

关于《【算法优选】 二分查找专题——贰》就讲解到这儿，感谢大家的支持，欢迎各位留言交流以及批评指正，如果文章对您有帮助或者觉得作者写的还不错可以点一下关注，点赞，收藏支持一下！

[Link 1]: https://leetcode.cn/problems/peak-index-in-a-mountain-array/
[Link 2]: https://leetcode.cn/problems/find-peak-element/submissions/
[Link 3]: https://leetcode.cn/problems/find-minimum-in-rotated-sorted-array/
[1ab1dc610b374056970312253c528bfa.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/14/859576f8f8a9464eaac7fdb4359f08b1.png
[Link 4]: https://leetcode.cn/problems/que-shi-de-shu-zi-lcof/