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34. Find First and Last Position of Element in Sorted Array

题目

Given an array of integers nums sorted in ascending order, find the starting and ending position of a given target value.

Your algorithm's runtime complexity must be in the order of O(log n).

If the target is not found in the array, return [-1, -1].

Example 1:

Input: nums = [5,7,7,8,8,10], target = 8
Output: [3,4]

Example 2:

Input: nums = [5,7,7,8,8,10], target = 6
Output: [-1,-1]

题目大意

给定一个按照升序排列的整数数组 nums，和一个目标值 target。找出给定目标值在数组中的开始位置和结束位置。你的算法时间复杂度必须是 O(log n) 级别。如果数组中不存在目标值，返回 [-1, -1]。

解题思路

• 给出一个有序数组 nums 和一个数 target，要求在数组中找到第一个和这个元素相等的元素下标，最后一个和这个元素相等的元素下标。

• 这一题是经典的二分搜索变种题。二分搜索有 4 大基础变种题：

  1. 查找第一个值等于给定值的元素
  2. 查找最后一个值等于给定值的元素
  3. 查找第一个大于等于给定值的元素
  4. 查找最后一个小于等于给定值的元素

  这一题的解题思路可以分别利用变种 1 和变种 2 的解法就可以做出此题。或者用一次变种 1 的方法，然后循环往后找到最后一个与给定值相等的元素。不过后者这种方法可能会使时间复杂度下降到 O(n)，因为有可能数组中 n 个元素都和给定元素相同。(4 大基础变种的实现见代码)

代码

package leetcode

func searchRange(nums []int, target int) []int {
	return []int{searchFirstEqualElement(nums, target), searchLastEqualElement(nums, target)}

}

// 二分查找第一个与 target 相等的元素，时间复杂度 O(logn)
func searchFirstEqualElement(nums []int, target int) int {
	low, high := 0, len(nums)-1
	for low <= high {
		mid := low + ((high - low) >> 1)
		if nums[mid] > target {
			high = mid - 1
		} else if nums[mid] < target {
			low = mid + 1
		} else {
			if (mid == 0) || (nums[mid-1] != target) { // 找到第一个与 target 相等的元素
				return mid
			}
			high = mid - 1
		}
	}
	return -1
}

// 二分查找最后一个与 target 相等的元素，时间复杂度 O(logn)
func searchLastEqualElement(nums []int, target int) int {
	low, high := 0, len(nums)-1
	for low <= high {
		mid := low + ((high - low) >> 1)
		if nums[mid] > target {
			high = mid - 1
		} else if nums[mid] < target {
			low = mid + 1
		} else {
			if (mid == len(nums)-1) || (nums[mid+1] != target) { // 找到最后一个与 target 相等的元素
				return mid
			}
			low = mid + 1
		}
	}
	return -1
}

// 二分查找第一个大于等于 target 的元素，时间复杂度 O(logn)
func searchFirstGreaterElement(nums []int, target int) int {
	low, high := 0, len(nums)-1
	for low <= high {
		mid := low + ((high - low) >> 1)
		if nums[mid] >= target {
			if (mid == 0) || (nums[mid-1] < target) { // 找到第一个大于等于 target 的元素
				return mid
			}
			high = mid - 1
		} else {
			low = mid + 1
		}
	}
	return -1
}

// 二分查找最后一个小于等于 target 的元素，时间复杂度 O(logn)
func searchLastLessElement(nums []int, target int) int {
	low, high := 0, len(nums)-1
	for low <= high {
		mid := low + ((high - low) >> 1)
		if nums[mid] <= target {
			if (mid == len(nums)-1) || (nums[mid+1] > target) { // 找到最后一个小于等于 target 的元素
				return mid
			}
			low = mid + 1
		} else {
			high = mid - 1
		}
	}
	return -1
}