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synced 2025-08-02 19:53:11 +08:00
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This commit is contained in:
@ -3412,7 +3412,7 @@
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<h1 id="101">10.1 二分查找<a class="headerlink" href="#101" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>「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。</p>
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<p>「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。</p>
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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> 的数组 <code>nums</code> ,元素按从小到大的顺序排列,数组不包含重复元素。请查找并返回元素 <code>target</code> 在该数组中的索引。若数组不包含该元素,则返回 <span class="arithmatex">\(-1\)</span> 。</p>
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@ -3420,7 +3420,7 @@
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<p><img alt="二分查找示例数据" src="../binary_search.assets/binary_search_example.png" /></p>
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<p align="center"> 图:二分查找示例数据 </p>
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<p>对于上述问题,我们先初始化指针 <span class="arithmatex">\(i = 0\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(j = n - 1\)</span> ,分别指向数组首元素和尾元素,代表搜索区间 <span class="arithmatex">\([0, n - 1]\)</span> 。请注意,中括号表示闭区间,其包含边界值本身。</p>
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<p>如下图所示,我们先初始化指针 <span class="arithmatex">\(i = 0\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(j = n - 1\)</span> ,分别指向数组首元素和尾元素,代表搜索区间 <span class="arithmatex">\([0, n - 1]\)</span> 。请注意,中括号表示闭区间,其包含边界值本身。</p>
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<p>接下来,循环执行以下两个步骤:</p>
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<ol>
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<li>计算中点索引 <span class="arithmatex">\(m = \lfloor {(i + j) / 2} \rfloor\)</span> ,其中 <span class="arithmatex">\(\lfloor \space \rfloor\)</span> 表示向下取整操作。</li>
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@ -3988,7 +3988,7 @@
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</div>
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<p>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。</p>
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<p>在“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 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 缩小区间操作也是对称的。这样更不容易出错。因此,<strong>我们通常采用“双闭区间”的写法</strong>。</p>
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<p>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 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 缩小区间操作也是对称的。这样更不容易出错,<strong>因此一般建议采用“双闭区间”的写法</strong>。</p>
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<p><img alt="两种区间定义" src="../binary_search.assets/binary_search_ranges.png" /></p>
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<p align="center"> 图:两种区间定义 </p>
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@ -3587,7 +3587,7 @@
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<p>下面我们介绍两种更加取巧的方法。</p>
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<h3 id="1">1. 复用查找左边界<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>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:<strong>将查找最右一个 <code>target</code> 转化为查找最左一个 <code>target + 1</code></strong>。</p>
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<p>查找完成后,指针 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 指向最左一个 <code>target + 1</code>(如果存在),而 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 指向最右一个 <code>target</code> ,<strong>因此返回 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 即可</strong>。</p>
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<p>如下图所示,查找完成后,指针 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 指向最左一个 <code>target + 1</code>(如果存在),而 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 指向最右一个 <code>target</code> ,<strong>因此返回 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 即可</strong>。</p>
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<p><img alt="将查找右边界转化为查找左边界" src="../binary_search_edge.assets/binary_search_right_edge_by_left_edge.png" /></p>
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<p align="center"> 图:将查找右边界转化为查找左边界 </p>
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@ -3716,7 +3716,7 @@
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</div>
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<h3 id="2">2. 转化为查找元素<a class="headerlink" href="#2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>我们知道,当数组不包含 <code>target</code> 时,最后 <span class="arithmatex">\(i\)</span> , <span class="arithmatex">\(j\)</span> 会分别指向首个大于、小于 <code>target</code> 的元素。</p>
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<p>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:</p>
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<p>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。</p>
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<ul>
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<li>查找最左一个 <code>target</code> :可以转化为查找 <code>target - 0.5</code> ,并返回指针 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 。</li>
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<li>查找最右一个 <code>target</code> :可以转化为查找 <code>target + 0.5</code> ,并返回指针 <span class="arithmatex">\(j\)</span> 。</li>
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@ -3580,7 +3580,7 @@
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<p>在上一题的基础上,规定数组可能包含重复元素,其余不变。</p>
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</div>
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<p>假设数组中存在多个 <code>target</code> ,则普通二分查找只能返回其中一个 <code>target</code> 的索引,<strong>而无法确定该元素的左边和右边还有多少 <code>target</code></strong>。</p>
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<p>题目要求将目标元素插入到最左边,<strong>所以我们需要查找数组中最左一个 <code>target</code> 的索引</strong>。初步考虑通过以下两步实现:</p>
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<p>题目要求将目标元素插入到最左边,<strong>所以我们需要查找数组中最左一个 <code>target</code> 的索引</strong>。初步考虑通过下图所示的步骤实现。</p>
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<ol>
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<li>执行二分查找,得到任意一个 <code>target</code> 的索引,记为 <span class="arithmatex">\(k\)</span> 。</li>
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<li>从索引 <span class="arithmatex">\(k\)</span> 开始,向左进行线性遍历,当找到最左边的 <code>target</code> 时返回。</li>
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@ -3589,7 +3589,7 @@
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<p align="center"> 图:线性查找重复元素的插入点 </p>
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<p>此方法虽然可用,但其包含线性查找,因此时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 。当数组中存在很多重复的 <code>target</code> 时,该方法效率很低。</p>
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<p>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 <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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<p>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 <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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<ol>
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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> ,因此采用普通二分查找的缩小区间操作,<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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@ -3418,7 +3418,7 @@
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<p>给定一个整数数组 <code>nums</code> 和一个目标元素 <code>target</code> ,请在数组中搜索“和”为 <code>target</code> 的两个元素,并返回它们的数组索引。返回任意一个解即可。</p>
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</div>
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<h2 id="1041">10.4.1 线性查找:以时间换空间<a class="headerlink" href="#1041" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>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 <code>target</code> ,若是,则返回它们的索引。</p>
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<p>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 <code>target</code> ,若是则返回它们的索引。</p>
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<p><img alt="线性查找求解两数之和" src="../replace_linear_by_hashing.assets/two_sum_brute_force.png" /></p>
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<p align="center"> 图:线性查找求解两数之和 </p>
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@ -3613,7 +3613,7 @@
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</div>
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<p>此方法的时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> ,空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> ,在大数据量下非常耗时。</p>
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<h2 id="1042">10.4.2 哈希查找:以空间换时间<a class="headerlink" href="#1042" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>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:</p>
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<p>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。</p>
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<li>判断数字 <code>target - nums[i]</code> 是否在哈希表中,若是则直接返回这两个元素的索引。</li>
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<li>将键值对 <code>nums[i]</code> 和索引 <code>i</code> 添加进哈希表。</li>
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