二分算法通常用于有序序列中查找元素:

  1. 有序序列中是否存在满足某条件的元素;

  2. 有序序列中第一个满足某条件的元素的位置;

  3. 有序序列中最后一个满足某条件的元素的位置。

思路很简单,细节是魔鬼。

二分查找

一.有序序列中是否存在满足某条件的元素

首先,二分查找的框架:

def binarySearch(nums, target):
l = 0 #low
h = ... #high
​
while l...h:
m = (l + (h - l) / 2) #middle,防止h+l溢出
if nums[m] == target:
...
elif nums[m] < target:
l = ... #缩小边界
elif nums[m] > target:
h = ...
return ... #查找结果
 

其次,最基本的查找有序序列中的一个元素

 def binarySearch(nums, target):
l = 0
h = len(nums) - 1 while l <= h :
m = (l + (h - l) / 2)
if nums[m] == target:
return m
elif nums[m] < target:
l = m + 1
elif nums[m] > target:
h = m - 1
return -1

循环的条件为什么是 <=,而不是 < ?

答:要保证能遍历到数组的第一个元素和最后一个元素。因为初始化 h 的赋值是 len(nums) - 1,即最后一个元素的索引,而不是 len(nums)。

这二者可能出现在不同功能的二分查找中,区别是:前者相当于两端都闭区间 [l, h],后者相当于左闭右开区间 [l, h),因为索引大小为 len(nums) 是越界的。

我们这个算法中使用的是 [l, h] 两端都闭的区间。这个区间就是每次进行搜索的区间,我们不妨称为「搜索区间」(search space)。

此算法有什么缺陷?

答:至此,你应该已经掌握了该算法的所有细节,以及这样处理的原因。但是,这个算法存在局限性。

比如说给你有序数组 nums = [1,2,2,2,3],target = 2,此算法返回的索引是 2,没错。但是如果我想得到 target 的左侧边界,即索引 1,或者我想得到 target 的右侧边界,即索引 3,这样的话此算法是无法处理的。

这样的需求很常见。你也许会说,找到一个 target 索引,然后向左或向右线性搜索不行吗?可以,但是不好,因为这样难以保证二分查找对数级的时间复杂度了。

我们后续的算法就来讨论这两种二分查找的算法。

二、寻找一个数(基本的二分搜索)

这个场景是最简单的,可能也是大家最熟悉的,即搜索一个数,如果存在,返回其索引,否则返回 -1。

def binarySearch([] nums,  target):
l = 0
h = len(nums) - 1
​
while l <= h:
m = (l + (h - l) / 2)
if nums[m] == target:
return m
elif nums[m] < target:
l = m + 1
elif nums[m] > target:
h = m - 1
return -1

​

1. 为什么 while 循环的条件中是 <=,而不是 < ?

答:因为初始化 h 的赋值是 len(nums) - 1,即最后一个元素的索引,而不是 len(nums)。

这二者可能出现在不同功能的二分查找中,区别是:前者相当于两端都闭区间 [l, h],后者相当于左闭右开区间 [l, h),因为索引大小为 len(nums) 是越界的。

我们这个算法中使用的是 [l, h] 两端都闭的区间。这个区间就是每次进行搜索的区间,我们不妨称为「搜索区间」(search space)。

什么时候应该停止搜索呢?当然,找到了目标值的时候可以终止:

if nums[m] == target
return m
 

但如果没找到,就需要 while 循环终止,然后返回 -1。那 while 循环什么时候应该终止?搜索区间为空的时候应该终止,意味着你没得找了,就等于没找到嘛。

while(l <= h)的终止条件是 l == h + 1,写成区间的形式就是 [h + 1, h],或者带个具体的数字进去 [3, 2],可见这时候搜索区间为空,因为没有数字既大于等于 3 又小于等于 2 的吧。所以这时候 while 循环终止是正确的,直接返回 -1 即可。

while(l < h)的终止条件是 l == h,写成区间的形式就是 [h, h],或者带个具体的数字进去 [2, 2],这时候搜索区间非空,还有一个数 2,但此时 while 循环终止了。也就是说这区间 [2, 2] 被漏掉了,索引 2 没有被搜索,如果这时候直接返回 -1 就可能出现错误。

当然,如果你非要用 while(l < h) 也可以,我们已经知道了出错的原因,就打个补丁好了:

#...
while l < h:
# ...
​
return nums[l] == target ? l : -1

  

2. 为什么 l = m + 1,h = m - 1?我看有的代码是 h = m 或者 l = m,没有这些加加减减,到底怎么回事,怎么判断?

答:这也是二分查找的一个难点,不过只要你能理解前面的内容,就能够很容易判断。

刚才明确了「搜索区间」这个概念,而且本算法的搜索区间是两端都闭的,即 [l, h]。那么当我们发现索引 m 不是要找的 target 时,如何确定下一步的搜索区间呢?

当然是去搜索 [l, m - 1] 或者 [m + 1, h] 对不对?因为 m 已经搜索过,应该从搜索区间中去除。

3. 此算法有什么缺陷?

答:至此,你应该已经掌握了该算法的所有细节,以及这样处理的原因。但是,这个算法存在局限性。

比如说给你有序数组 nums = [1,2,2,2,3],target = 2,此算法返回的索引是 2,没错。但是如果我想得到 target 的左侧边界,即索引 1,或者我想得到 target 的右侧边界,即索引 3,这样的话此算法是无法处理的。

这样的需求很常见。你也许会说,找到一个 target 索引,然后向左或向右线性搜索不行吗?可以,但是不好,因为这样难以保证二分查找对数级的时间复杂度了。

我们后续的算法就来讨论这两种二分查找的算法。

三、寻找左侧边界的二分搜索

直接看代码,其中的标记是需要注意的细节:

def l_bound(nums,  target):
if len(nums) == 0 return -1
l = 0
h = len(nums)
​
while l < h
m = int(l + (h - l) / 2)
if nums[m] == target:
h = m
elif nums[m] < target:
l = m + 1
elif nums[m] > target:
h = m
return l
 

为什么 while(l < h) 而不是 <= ?

答:用相同的方法分析,因为初始化 h = len(nums) 而不是 len(nums) - 1 。因此每次循环的「搜索区间」是 [l, h) 左闭右开。

while(l < h) 终止的条件是 l == h,此时搜索区间 [l, l) 恰巧为空,所以可以正确终止。

为什么没有返回 -1 的操作?如果 nums 中不存在 target 这个值,怎么办?

答:因为要一步一步来,先理解一下这个「左侧边界」有什么特殊含义:

对于这个数组,算法会返回 1。这个 1 的含义可以这样解读:nums 中小于 2 的元素有 1 个。

比如对于有序数组 nums = [2,3,5,7], target = 1,算法会返回 0,含义是:nums 中小于 1 的元素有 0 个。如果 target = 8,算法会返回 4,含义是:nums 中小于 8 的元素有 4 个。

综上可以看出,函数的返回值(即 l 变量的值)取值区间是闭区间 [0, len(nums)],所以我们简单添加两行代码就能在正确的时候 return -1:

while l < h:
#...
​
# target 比所有数都大
if l == len(nums) return -1
# 类似之前算法的处理方式
return nums[l] == target ? l : -1

  

3. 为什么 l = m + 1,h = m ?和之前的算法不一样?

答:这个很好解释,因为我们的「搜索区间」是 [l, h) 左闭右开,所以当 nums[m] 被检测之后,下一步的搜索区间应该去掉 m 分割成两个区间,即 [l, m) 或 [m + 1, h)。

4. 为什么该算法能够搜索左侧边界?

答:关键在于对于 nums[m] == target 这种情况的处理:

    if nums[m] == target:
h = m

可见,找到 target 时不要立即返回,而是缩小「搜索区间」的上界 h,在区间 [l, m) 中继续搜索,即不断向左收缩,达到锁定左侧边界的目的。

5. 为什么返回 l 而不是 h?

答:返回l和h都是一样的,因为 while 终止的条件是 l == h。

四、寻找右侧边界的二分查找

寻找右侧边界和寻找左侧边界的代码差不多,只有两处不同,已标注:

def h_bound(nums,  target):
if len(nums) == 0 return -1
l = 0
h = len(nums)
​
while l < h:
m = int((l + h) / 2)
if nums[m] == target:
l = m + 1
elif nums[m] < target:
l = m + 1
elif nums[m] > target:
h = m
return l - 1
 

1. 为什么这个算法能够找到右侧边界?

答:类似地,关键点还是这里:

    if nums[m] == target:
l = m + 1

当 nums[m] == target 时,不要立即返回,而是增大「搜索区间」的下界 l,使得区间不断向右收缩,达到锁定右侧边界的目的。

2. 为什么最后返回 l - 1 而不像左侧边界的函数,返回 l?而且我觉得这里既然是搜索右侧边界,应该返回 h 才对。

答:首先,while 循环的终止条件是 l == h,所以 l 和 h 是一样的,你非要体现右侧的特点,返回 h - 1 好了。

至于为什么要减一,这是搜索右侧边界的一个特殊点,关键在这个条件判断:

    if nums[m] == target:
       l = m + 1

因为我们对 l 的更新必须是 l = m + 1,就是说 while 循环结束时,nums[l] 一定不等于 target 了,而 nums[l - 1]可能是target。

至于为什么 l 的更新必须是 l = m + 1,同左侧边界搜索,就不再赘述。

3. 为什么没有返回 -1 的操作?如果 nums 中不存在 target 这个值,怎么办?

答:类似之前的左侧边界搜索,因为 while 的终止条件是 l == h,就是说 l 的取值范围是 [0, len(nums)],所以可以添加两行代码,正确地返回 -1:

while l < h:
# ...
​
if l == 0 return -1
return nums[l-1] == target ? (l-1) : -1
 

五、最后总结

先来梳理一下这些细节差异的因果逻辑:

第一个,最基本的二分查找算法:

因为我们初始化 h = len(nums) - 1
所以决定了我们的「搜索区间」是 [l, h]
所以决定了 while (l <= h)
同时也决定了 l = m+1 和 h = m-1
​
因为我们只需找到一个 target 的索引即可
所以当 nums[m] == target 时可以立即返回

第二个,寻找左侧边界的二分查找:

因为我们初始化 h = len(nums)
所以决定了我们的「搜索区间」是 [l, h)
所以决定了 while (l < h)
同时也决定了 l = m+1 和 h = m
​
因为我们需找到 target 的最左侧索引
所以当 nums[m] == target 时不要立即返回
而要收紧右侧边界以锁定左侧边界

第三个,寻找右侧边界的二分查找:

因为我们初始化 h = len(nums)
所以决定了我们的「搜索区间」是 [l, h)
所以决定了 while (l < h)
同时也决定了 l = m+1 和 h = m
​
因为我们需找到 target 的最右侧索引
所以当 nums[m] == target 时不要立即返回
而要收紧左侧边界以锁定右侧边界
​
又因为收紧左侧边界时必须 l = m + 1
所以最后无论返回 l 还是 h,必须减一

如果以上内容你都能理解,那么恭喜你,二分查找算法的细节不过如此。

通过本文,你学会了:

1. 分析二分查找代码时,不要出现 else,全部展开成 elif 方便理解。

2. 注意「搜索区间」和 while 的终止条件,如果存在漏掉的元素,记得在最后检查。

3. 如需要搜索左右边界,只要在 nums[m] == target 时做修改即可。搜索右侧时需要减一。

就算遇到其他的二分查找变形,运用这几点技巧,也能保证你写出正确的代码。LeetCode Explore 中有二分查找的专项练习,其中提供了三种不同的代码模板,现在你再去看看,很容易就知道这几个模板的实现原理了。

编程思想与算法leetcode_二分算法详解的更多相关文章

  1. python 排序算法总结及实例详解

    python 排序算法总结及实例详解 这篇文章主要介绍了python排序算法总结及实例详解的相关资料,需要的朋友可以参考下 总结了一下常见集中排序的算法 排序算法总结及实例详解"> 归 ...

  2. SSD算法及Caffe代码详解(最详细版本)

    SSD(single shot multibox detector)算法及Caffe代码详解 https://blog.csdn.net/u014380165/article/details/7282 ...

  3. Partition算法以及其应用详解上(Golang实现)

    最近像在看闲书一样在看一本<啊哈!算法> 当时在amazon上面闲逛挑书,看到巨多人推荐这本算法书,说深入浅出简单易懂便买来阅读.实际上作者描述算法的能力的确令人佩服.就当复习常用算法吧. ...

  4. Floyd算法(三)之 Java详解

    前面分别通过C和C++实现了弗洛伊德算法,本文介绍弗洛伊德算法的Java实现. 目录 1. 弗洛伊德算法介绍 2. 弗洛伊德算法图解 3. 弗洛伊德算法的代码说明 4. 弗洛伊德算法的源码 转载请注明 ...

  5. Floyd算法(二)之 C++详解

    本章是弗洛伊德算法的C++实现. 目录 1. 弗洛伊德算法介绍 2. 弗洛伊德算法图解 3. 弗洛伊德算法的代码说明 4. 弗洛伊德算法的源码 转载请注明出处:http://www.cnblogs.c ...

  6. 关联规则算法(The Apriori algorithm)详解

    一.前言 在学习The Apriori algorithm算法时,参考了多篇博客和一篇论文,尽管这些都是很优秀的文章,但是并没有一篇文章详解了算法的整个流程,故整理多篇文章,并加入自己的一些注解,有了 ...

  7. KMP算法的优化与详解

    文章开头,我首先抄录一些阮一峰先生关于KMP算法的一些讲解. 下面,我用自己的语言,试图写一篇比较好懂的 KMP 算法解释. 1. 首先,字符串"BBC ABCDAB ABCDABCDABD ...

  8. SSD(single shot multibox detector)算法及Caffe代码详解[转]

    转自:AI之路 这篇博客主要介绍SSD算法,该算法是最近一年比较优秀的object detection算法,主要特点在于采用了特征融合. 论文:SSD single shot multibox det ...

  9. 算法笔记--sg函数详解及其模板

    算法笔记 参考资料:https://wenku.baidu.com/view/25540742a8956bec0975e3a8.html sg函数大神详解:http://blog.csdn.net/l ...

随机推荐

  1. 【NX二次开发】Block UI 集列表

    属性说明 属性   类型   描述   常规           BlockID    String    控件ID    Enable    Logical    是否可操作    Group    ...

  2. csps考前的一些总结(然而可能并没有用)

    记录考前的一些复习和总结,如果没有特殊情况不再写新的题解了 图论: 一.最短路: 1.spfa算法中的vis数组记录的是有没有入队,防止多次入队,通过松弛操作来达到最优解 2.dijkstra算法的v ...

  3. NOIP模拟测试24「star way to hevaen·lost my music」

    star way to heaven 题解 大致尝试了一下并查集,记忆化搜索,最小生成树 最小生成树是正解,跑最小生成树然后找到最大的值 欧几里德距离最小生成树学习 prim楞跑 至于为什么跑最小生成 ...

  4. Electron-Vite2-MacUI桌面管理框架|electron13+vue3.x仿mac桌面UI

    基于vue3.0.11+electron13仿制macOS桌面UI管理系统ElectronVue3MacUI. 前段时间有分享一个vue3结合electron12开发后台管理系统项目.今天要分享的是最 ...

  5. mapboxgl绘制3D线

    最近遇到个需求,使用mapboxgl绘制行政区划图层,要求把行政区划拔高做出立体效果,以便突出显示. 拿到这个需求后,感觉很简单呀,只需要用fill-extrusion方式绘制就可以啦,实现出来是这个 ...

  6. 955.WLB 不加班公司名单!再新增 5 家公司!

    大家好!我是<Visual Studio Code 权威指南>的作者韩骏.相信不少童鞋都是因为 VS Code 认识到我:也许是用了我写的 20 多个 VS Code 插件(比如 Code ...

  7. webpack(9)plugin插件功能的使用

    plugin 插件是 webpack 的支柱功能.webpack 自身也是构建于你在 webpack 配置中用到的相同的插件系统之上! 插件目的在于解决 loader 无法实现的其他事. 常用的插件 ...

  8. 使用Docker的同学注意了,这10个坑小心中招了

    Docker容器优点容器已经成为企业IT基础设施中必不可少的部分,它具有许多的优点,比如: 1 容器是不可变的--操作系统,库版本,配置,文件夹和应用程序都包装在容器内.你保证在质量检查中测试过的同一 ...

  9. XCTF IgniteMe

    一.查壳 结论: 1.用vc++编译的. 2.无壳,毕竟是一分的题 二.点击运行,发现不是爆破,而是找出注册机,汇编功力还在提升中,只能拖入ida来静态调试了 具体的见注释: 二.1点击进入关键函数 ...

  10. 2012年第三届蓝桥杯C/C++程序设计本科B组省赛 取球博弈

    2012年第三届蓝桥杯C/C++程序设计本科B组省赛 取球博弈 题目描述 **取球博弈 今盒子里有n个小球,A.B两人轮流从盒中取球,每个人都可以看到另一个人取了多少个,也可以看到盒中还剩下多少个,并 ...