hello-algo/docs/chapter_searching/binary_search_edge.md

# 二分查找边界

## 查找左边界

!!! question

    给定一个长度为 $n$ 的有序数组 `nums` ，数组可能包含重复元素。请返回数组中最左一个元素 `target` 的索引。若数组中不包含该元素，则返回 $-1$ 。

回忆二分查找插入点的方法，搜索完成后 $i$ 指向最左一个 `target` ，**因此查找插入点本质上是在查找最左一个 `target` 的索引**。

考虑通过查找插入点的函数实现查找左边界。请注意，数组中可能不包含 `target` ，这种情况可能导致以下两种结果。

- 插入点的索引 $i$ 越界。
- 元素 `nums[i]` 与 `target` 不相等。

当遇到以上两种情况时，直接返回 $-1$ 即可。

=== "Python"

    ```python title="binary_search_edge.py"
    [class]{}-[func]{binary_search_left_edge}
    ```

=== "C++"

    ```cpp title="binary_search_edge.cpp"
    [class]{}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

=== "Java"

    ```java title="binary_search_edge.java"
    [class]{binary_search_edge}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="binary_search_edge.cs"
    [class]{binary_search_edge}-[func]{BinarySearchLeftEdge}
    ```

=== "Go"

    ```go title="binary_search_edge.go"
    [class]{}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

=== "Swift"

    ```swift title="binary_search_edge.swift"
    [class]{}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

=== "JS"

    ```javascript title="binary_search_edge.js"
    [class]{}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

=== "TS"

    ```typescript title="binary_search_edge.ts"
    [class]{}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

=== "Dart"

    ```dart title="binary_search_edge.dart"
    [class]{}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

=== "Rust"

    ```rust title="binary_search_edge.rs"
    [class]{}-[func]{binary_search_left_edge}
    ```

=== "C"

    ```c title="binary_search_edge.c"
    [class]{}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

=== "Zig"

    ```zig title="binary_search_edge.zig"
    [class]{}-[func]{binarySearchLeftEdge}
    ```

## 查找右边界

那么如何查找最右一个 `target` 呢？最直接的方式是修改代码，替换在 `nums[m] == target` 情况下的指针收缩操作。代码在此省略，有兴趣的同学可以自行实现。

下面我们介绍两种更加取巧的方法。

### 复用查找左边界

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：**将查找最右一个 `target` 转化为查找最左一个 `target + 1`**。

如下图所示，查找完成后，指针 $i$ 指向最左一个 `target + 1`（如果存在），而 $j$ 指向最右一个 `target` ，**因此返回 $j$ 即可**。

![将查找右边界转化为查找左边界](binary_search_edge.assets/binary_search_right_edge_by_left_edge.png)

请注意，返回的插入点是 $i$ ，因此需要将其减 $1$ ，从而获得 $j$ 。

=== "Python"

    ```python title="binary_search_edge.py"
    [class]{}-[func]{binary_search_right_edge}
    ```

=== "C++"

    ```cpp title="binary_search_edge.cpp"
    [class]{}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

=== "Java"

    ```java title="binary_search_edge.java"
    [class]{binary_search_edge}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="binary_search_edge.cs"
    [class]{binary_search_edge}-[func]{BinarySearchRightEdge}
    ```

=== "Go"

    ```go title="binary_search_edge.go"
    [class]{}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

=== "Swift"

    ```swift title="binary_search_edge.swift"
    [class]{}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

=== "JS"

    ```javascript title="binary_search_edge.js"
    [class]{}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

=== "TS"

    ```typescript title="binary_search_edge.ts"
    [class]{}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

=== "Dart"

    ```dart title="binary_search_edge.dart"
    [class]{}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

=== "Rust"

    ```rust title="binary_search_edge.rs"
    [class]{}-[func]{binary_search_right_edge}
    ```

=== "C"

    ```c title="binary_search_edge.c"
    [class]{}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

=== "Zig"

    ```zig title="binary_search_edge.zig"
    [class]{}-[func]{binarySearchRightEdge}
    ```

### 转化为查找元素

我们知道，当数组不包含 `target` 时，最终 $i$ 和 $j$ 会分别指向首个大于、小于 `target` 的元素。

因此，如下图所示，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。

- 查找最左一个 `target` ：可以转化为查找 `target - 0.5` ，并返回指针 $i$ 。
- 查找最右一个 `target` ：可以转化为查找 `target + 0.5` ，并返回指针 $j$ 。

![将查找边界转化为查找元素](binary_search_edge.assets/binary_search_edge_by_element.png)

代码在此省略，值得注意以下两点。

- 给定数组不包含小数，这意味着我们无须关心如何处理相等的情况。
- 因为该方法引入了小数，所以需要将函数中的变量 `target` 改为浮点数类型。