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Java如何实现二分法?

在一个有序数组中,找某个数是否存在思路:由于是有序数组,可以先得到中点位置,中点可以把数组分为左右半边。如果中点位置的值等于目标值,直接返回中点位置。如果中点位置的值小于目标值,则去数组中点左侧按同样的方式寻找。如果中点位置的值大于目标值,则取数组中点右侧按同样的方式寻找。如果最后没有找到,则返回:-1。代码classSolution{publicintsearch(int[]arr,intt){if(arr==null||arr.length1);if(arr[m]==t){returnm;}elsei

本文目录

    Java如何实现二分法?

    在一个有序数组中,找某个数是否存在

    Java如何实现二分法?

    思路:

    • 由于是有序数组,可以先得到中点位置,中点可以把数组分为左右半边。

    • 如果中点位置的值等于目标值,直接返回中点位置。

    • 如果中点位置的值小于目标值,则去数组中点左侧按同样的方式寻找。

    • 如果中点位置的值大于目标值,则取数组中点右侧按同样的方式寻找。

    • 如果最后没有找到,则返回:-1。

    代码

    class Solution {
        public int search(int[] arr, int t) {
            if (arr == null || arr.length < 1) {
                return -1;
            }
            int l = 0;
            int r = arr.length - 1;
            while (l <= r) {
                int m = l + ((r - l) >> 1);
                if (arr[m] == t) {
                    return m;
                } else if (arr[m] > t) {
                    r = m - 1;
                } else {
                    l = m + 1;
                }
            }
            return -1;
        }
    }

    时间复杂度 O(logN)。

    在一个有序数组中,找大于等于某个数最左侧的位置

    Java如何实现二分法?

    示例 1:

    输入: nums = [1,3,5,6], target = 5

    输出: 2

    说明:如果要在num这个数组中插入 5 这个元素,应该是插入在元素 3 和 元素 5 之间的位置,即 2 号位置。

    示例 2:

    输入: nums = [1,3,5,6], target = 2

    输出: 1

    说明:如果要在num这个数组中插入 2 这个元素,应该是插入在元素 1 和 元素 3 之间的位置,即 1 号位置。

    示例 3:

    输入: nums = [1,3,5,6], target = 7

    输出: 4

    说明:如果要在num这个数组中插入 7 这个元素,应该是插入在数组末尾,即 4 号位置。

    通过上述示例可以知道,这题本质上就是求在一个有序数组中,找大于等于某个数最左侧的位置,如果不存在,就返回数组长度(表示插入在最末尾位置)

    我们只需要在上例基础上进行简单改动即可,上例中,我们找到满足条件的位置就直接return了

    if (arr[m] == t) {
        return m;
    }

    在本问题中,因为要找到最左侧的位置,所以,在遇到相等的时候,只需要先把位置记录下来,不用直接返回,然后继续去左侧找是否还有满足条件的更左边的位置。

    同时,在遇到arr[m] > t条件下,也需要记录下此时的m位置,因为这也可能是满足条件的位置。

    代码:

    class Solution {
        public static int searchInsert(int[] arr, int t) {
            int ans = arr.length;
            int l = 0;
            int r = arr.length - 1;
            while (l <= r) {
                int m = l + ((r - l)>>1);
                if (arr[m] >= t) {
                    ans = m;
                    r = m - 1;
                } else  {
                    l = m + 1;
                } 
            }
            return ans;
        }
    }

    整个算法的时间复杂度是O(logN)。

    在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置

    Java如何实现二分法?

    思路

    本题也是用二分来解,当通过二分找到某个元素的时候,不急着返回,而是继续往左(右)找,看能否找到更左(右)位置匹配的值。

    代码如下:

    class Solution {
        public static int[] searchRange(int[] arr, int t) {
            if (arr == null || arr.length < 1) {
                return new int[]{-1, -1};
            }
            return new int[]{left(arr,t),right(arr,t)};   
        }
        public static int left(int[] arr, int t) {
            if (arr == null || arr.length < 1) {
                return -1;
            }
            int ans = -1;
            int l = 0;
            int r = arr.length - 1;
            while (l <= r) {
                int m = l + ((r - l) >> 1);
                if (arr[m] == t) {
                   ans = m;
                   r = m - 1;
                } else if (arr[m] < t) {
                    l = m +1;
                } else {
                    // arr[m] > t
                    r = m - 1;
                }
            }
            return ans;
        }
        public static int right(int[] arr, int t) {
            if (arr == null || arr.length < 1) {
                return -1;
            }
            int ans = -1;
            int l = 0;
            int r = arr.length - 1;
            while (l <= r) {
                int m = l + ((r - l) >> 1);
                if (arr[m] == t) {
                   ans = m;
                   l = m + 1;
                } else if (arr[m] < t) {
                    l = m +1;
                } else {
                    // arr[m] > t
                    r = m - 1;
                }
            }
            return ans;
        }
    }

    时间复杂度 O(logN)。

    局部最大值问题

    Java如何实现二分法?

    思路

    假设数组长度为N,首先判断0号位置的数和N-1位置的数是不是峰值位置。

    0号位置只需要和1号位置比较,如果0号位置大,0号位置就是峰值位置,可以直接返回。

    N-1号位置只需要和N-2号位置比较,如果N-1号位置大,N-1号位置就是峰值位置,可以直接返回。

    如果0号位置和N-1在上轮比较中均是最小值,那么数组的样子必然是如下情况:

    Java如何实现二分法?

    由上图可知,[0..1]区间内是增长趋势, [N-2...N-1]区间内是下降趋势。

    那么峰值位置必在[1...N-2]之间出现。

    此时可以通过二分来找峰值位置,先来到中点位置,假设为mid,如果中点位置的值比左右两边的值都大:

    arr[mid] > arr[mid+1] && arr[mid] > arr[mid-1]

    则mid位置即峰值位置,直接返回。

    否则,有如下两种情况:

    情况一:mid 位置的值比 mid - 1 位置的值小

    趋势如下图:

    Java如何实现二分法?

    则在[1...(mid-1)]区间内继续二分。

    情况二:mid 位置的值比 mid + 1 位置的值小

    趋势是:

    Java如何实现二分法?

    则在[(mid+1)...(N-2)]区间内继续上述二分。

    完整代码

    public class LeetCode_0162_FindPeakElement {
        public static int findPeakElement(int[] nums) {
            if (nums.length == 1) {
                return 0;
            }
            int l = 0;
            int r = nums.length - 1;
            if (nums[l] > nums[l + 1]) {
                return l;
            }
            if (nums[r] > nums[r - 1]) {
                return r;
            }
            l = l + 1;
            r = r - 1;
            while (l <= r) {
                int mid = l + ((r - l) >> 1);
                if (nums[mid] > nums[mid + 1] && nums[mid] > nums[mid - 1]) {
                    return mid;
                }
                if (nums[mid] < nums[mid + 1]) {
                    l = mid + 1;
                } else if (nums[mid] < nums[mid - 1]) {
                    r = mid - 1;
                }
            }
            return -1;
        }
    }

    时间复杂度O(logN)。

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