基礎二分查詢總結

dotJunz發表於2023-01-17

前言

由於我在學習二分查詢的過程中處於會了忘，忘了複習的狀態，因此總結一套適合自己記憶的模板。建議先看參考資料\(^{[1,2,3]}\)，理解二分查詢各種細節的由來。

左閉右開的形式：迴圈條件一定是 while(left < right)。由於左閉，所以 left = mid + 1;。由於右開，所以 right = mid;。最後迴圈結束時，left == right 。

左閉右閉的形式：迴圈條件一定是 while(left <= right)。由於左閉，所以 left = mid + 1;。由於右閉，所以 right = mid - 1;。最後迴圈結束時，left == right + 1 。

確保上面段話能理解，為了方便記憶，優先採用左閉右開的形式。因為迴圈結束時，left == right，我覺得簡單一點。

基礎的二分查詢

力扣連結：704. 二分查詢

給定一個 n 個元素有序的（升序）整型陣列 nums 和一個目標值 target ，寫一個函式搜尋 nums 中的 target，如果目標值存在返回下標，否則返回 -1。

示例 1:

輸入: nums = [-1,0,3,5,9,12], target = 9
輸出: 4
解釋: 9 出現在 nums 中並且下標為 4

示例 2:

輸入: nums = [-1,0,3,5,9,12], target = 2
輸出: -1
解釋: 2 不存在 nums 中因此返回 -1

左閉右開程式碼實現

class Solution {
    public int search(int[] nums, int target) {
        int left = 0, right = nums.length;  // 定義target在左閉右開的區間裡，即：[left, right)
        while(left < right){  // 因為left == right的時候，在[left, right)是空區間，所以使用小於號
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if(nums[mid] < target){
                left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right)中
            }else if(nums[mid] > target){  
                right = mid;  // target 在左區間，在[left, mid)中
            }else{  // nums[mid] == target
                return mid;  // 陣列中找到目標值，直接返回下標
            }
        }
        return -1;  // 未找到目標值
    }
}

左閉右閉程式碼實現

class Solution {
    public int search(int[] nums, int target) {
        int left = 0, right = nums.length - 1;  // // 定義target在左閉右開的區間裡，即：[left, right)
        while(left <= right){  // 因為left == right的時候，在[left, right]還有一個元素，所以使用小於等於號
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if(nums[mid] < target){
                left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right]中
            }else if(nums[mid] > target){
                right = mid - 1;   // target 在左區間，在[left, mid - 1]中
            }else{
                return mid;  // // 陣列中找到目標值，直接返回下標
            }
        }

        return -1;  // 未找到目標值
    }
}

lower_bound 和 upper_bound

lower_bound

lower_bound 含義:

返回第一個大於等於 target 的位置，如果所有元素都小於 target，則返回陣列的長度。
在不改變原有排序的前提下，找到第一個可以插入 target 的位置。

左閉右開程式碼實現

int lower_bound(int[] nums, int target){
    int left = 0, right = nums.length;
    while(left < right){  // 定義target在左閉右開的區間裡，即：[left, right)
        int mid = left + (right - left) / 2;
        if(nums[mid] < target){
            left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right)中
        }else{
            right = mid;  // target 在左區間，在[left, mid)中
        }
    }
    return left;  // 此時 left == right，返回 right 也可以
}

對於 nums[mid] == target 的情況：
此時找到一個目標值 target，然而左邊可能還有 target。由於要找的是第一個大於等於 target 的位置，所以應該向左區間繼續查詢，因此與 else 分支合併。

左閉右閉程式碼實現

int lower_bound(int[] nums, int target){
    int left = 0, right = nums.length - 1;
    while(left <= right){  // 定義target在左閉右閉的區間裡，即：[left, right]
        int mid = left + (right - left) / 2;
        if(nums[mid] < target){
            left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right]中
        }else{
            right = mid - 1;  // target 在左區間，在[left, mid - 1]中
        }
    }
    return left;  // 此時 left == right + 1
}

這裡和左閉右開形式不同，左閉右開 left == right，不用糾結。這裡 left == right + 1，有時候搞不清楚是返回 left ，right，還是 left - 1......

這裡有個方便記憶的小技巧，假設 left 和 right 都指向 target，再看下一步的結果。

比如下面這個例子，target == 3，lower_bound 要求的結果就是紅色的3。

此時 left == right，根據程式碼，應該執行 right = mid - 1; 這條語句，執行之後，如下圖所示。

此時，left == right + 1，迴圈結束，結果應該為 left，所以 return left;。

upper_bound

upper_bound 含義:

返回第一個大於 target 的位置，如果所有元素都小於等於 target，則返回陣列的長度。
在不改變原有排序的前提下，找到最後一個可以插入 target 的位置。

左閉右開程式碼實現

int upper_bound(int[] nums, int target){
    int left = 0, right = nums.length;
    while(left < right){  // 定義target在左閉右開的區間裡，即：[left, right)
        int mid = left + (right - left) / 2;
        if(nums[mid] <= target){
            left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right)中
        }else{
            right = mid;  // target 在左區間，在[left, mid)中
        }
    }
    return left;  // 此時 left == right，返回 right 也可以
}

對於 nums[mid] == target 的情況：
此時找到一個目標值 target。由於要找的是第一個大於 target 的位置，所以應該向右區間繼續查詢，所以與 if 分支合併。

左閉右閉程式碼實現

int upper_bound(int[] nums, int target){
    int left = 0, right = nums.length - 1;
    while(left <= right){  // 定義target在左閉右閉的區間裡，即：[left, right]
        int mid = left + (right - left) / 2;
        if(nums[mid] <= target){
            left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right]中
        }else{
            right = mid - 1;  // target 在左區間，在[left, mid - 1]中
        }
    }
    return left;  // 此時 left == right + 1
}

和 lower_bound 類似，說一下記憶 return left; 的技巧。

假設 left 和 right 都指向 target，再看下一步的結果。

比如下面這個例子，target == 3，upper_bound 要求的結果就是紅色的4。

此時 left == right，根據程式碼，應該執行 left = mid + 1; 這條語句，執行之後，如下圖所示。

此時，left == right + 1，迴圈結束，結果應該為 left，所以 return left;。

可以看到，在左閉右閉的情況下，lower_bound 和 upper_bound 都返回 left。

lower_bound 和 upper_bound 的聯絡

可以發現，這兩個函式只有 if 判斷為相等的情況不同^[6]。為方便記憶，在 if else 只有二分支的情況下，即把相等的情況歸為 if 分支或 else 分支（不是 if ... else if ... else ... 三分支的情況）。

此時，lower_bound 和 upper_bound 可以透過在 if 分支判斷語句中增刪 = 互相轉化。

另外，upper_bound 可以直接複用 lower_bound 。
對於非遞減整數陣列，\(>x\) 等價於 \(\geq x+1\)^[1]，upper_bound 求第一個大於 target 的位置，就等價於 lower_bound 求第一個大於等於 target + 1 的位置。

因此，upper_bound 的另一種寫法

int upper_bound(int[] nums, int target){
    return lower_bound(nums, target + 1);
}

所以，只要記 lower_bound 的程式碼就好了。

力扣相關題目

35. 搜尋插入位置

力扣連結：35. 搜尋插入位置

給定一個排序陣列和一個目標值，在陣列中找到目標值，並返回其索引。如果目標值不存在於陣列中，返回它將會被按順序插入的位置。

你可以假設陣列中無重複元素。

示例 1:

輸入: nums = [1,3,5,6], target = 5
輸出: 2

示例 2:

輸入: nums = [1,3,5,6], target = 2
輸出: 1

示例 3:

輸入: nums = [1,3,5,6], target = 7
輸出: 4

解法一
直接應用 lower_bound

class Solution {
    public int searchInsert(int[] nums, int target) {
        return lower_bound(nums, target);
    }

    int lower_bound(int[] nums, int target){
        int left = 0, right = nums.length;
        while(left < right){  // 定義target在左閉右開的區間裡，即：[left, right)
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if(nums[mid] < target){
                left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right)中
            }else{
                right = mid;  // target 在左區間，在[left, mid)中
            }
        }
        return left;  // 此時 left == right，返回 right 也可以
    }
}

解法二
透過 upper_bound 轉化

class Solution {
    public int searchInsert(int[] nums, int target) {
        int pos = upper_bound(nums, target);
        if(pos == 0 || nums[pos - 1] != target) return pos;  // target 不存在
        return pos - 1;  // target 存在，前一個位置就是 target
    }

    int upper_bound(int[] nums, int target){
        int left = 0, right = nums.length;
        while(left < right){  // 定義target在左閉右開的區間裡，即：[left, right)
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if(nums[mid] <= target){
                left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right)中
            }else{
                right = mid;  // target 在左區間，在[left, mid)中
            }
        }
        return left;  // 此時 left == right，返回 right 也可以
    }
}

直接記解法一就行了，解法二隻是證明 upper_bound 也可以做，因為 lower_bound 和 upper_bound 本來就有轉化關係。

34. 在排序陣列中查詢元素的第一個和最後一個位置

力扣連結：34. 在排序陣列中查詢元素的第一個和最後一個位置

給定一個按照升序排列的整數陣列 nums，和一個目標值 target。找出給定目標值在陣列中的開始位置和結束位置。

如果陣列中不存在目標值 target，返回 [-1, -1]。

示例 1：

輸入：nums = [5,7,7,8,8,10], target = 8
輸出：[3,4]

示例 2：

輸入：nums = [5,7,7,8,8,10], target = 6
輸出：[-1,-1]

示例 3：

輸入：nums = [], target = 0
輸出：[-1,-1]

思路
第一個位置：就是 lower_bound 函式的含義。
最後一個位置：如果 target 存在的話，第一個大於 target 的位置減一就是 target 的最後一個位置。

程式碼實現

class Solution {
    public int[] searchRange(int[] nums, int target) {
        int start = lower_bound(nums, target);
        if(start == nums.length || nums[start] != target) return new int[]{-1, -1};  // target 不存在
        int end = upper_bound(nums, target) - 1;
        return new int[]{start, end};
    }

    int lower_bound(int[] nums, int target){
        int left = 0, right = nums.length;
        while(left < right){  // 定義target在左閉右開的區間裡，即：[left, right)
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if(nums[mid] < target){
                left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right)中
            }else{
                right = mid;  // target 在左區間，在[left, mid)中
            }
        }
        return left;  // 此時 left == right，返回 right 也可以
    }

    int upper_bound(int[] nums, int target){
        return lower_bound(nums, target + 1);
    }
}

69. x 的平方根

力扣連結：69. x 的平方根

給你一個非負整數 x ，計算並返回 x 的 算術平方根 。

由於返回型別是整數，結果只保留 整數部分 ，小數部分將被捨去。

注意： 不允許使用任何內建指數函式和算符，例如 pow(x, 0.5) 或者 x ** 0.5 。

示例 1：

輸入：x = 4
輸出：2

示例 2：

輸入：x = 8
輸出：2
解釋：8 的算術平方根是 2.82842..., 由於返回型別是整數，小數部分將被捨去。

思路
這其實就是一個 upper_bound 問題，對於 x = 8，二分割槽間應該在 [0,8]，我們要在這些數的平方中找到第一個大於8的數，它左邊的那個數的平方根就是答案。如下圖所示，找到9（是第一個大於8的數），左邊4的平方根2就是答案。

程式碼
直接應用 upper_bound，下面的程式碼會超出記憶體限制，但是方便我們理解它和 upper_bound 的關係。

class Solution {
    public int mySqrt(int x) {
        int[] nums = new int[x + 1];
        for(int i = 0; i <= x; i++) nums[i] = (i + 1) * (i + 1);
        int res = upper_bound(nums, x);
        return res;
    }

    int lower_bound(int[] nums, int target){
        int left = 0, right = nums.length;
        while(left < right){  // 定義target在左閉右開的區間裡，即：[left, right)
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if(nums[mid] < target){
                left = mid + 1;  // target 在右區間，在[mid + 1, right)中
            }else{
                right = mid;  // target 在左區間，在[left, mid)中
            }
        }
        return left;  // 此時 left == right，返回 right 也可以
    }

    int upper_bound(int[] nums, int target){
        return lower_bound(nums, target + 1);
    }
}

左閉右開程式碼
由於 x + 1 可能溢位，所以要用 long。

class Solution {
    public int mySqrt(int x) {
        long left = 0, right = (long) x + 1;  //左閉右開，所以是[0,x+1)
        while(left < right){
            long mid = left + (right - left) / 2;
            if(f(mid) <= x){
                left = mid + 1;
            }else{
                right = mid;
            }
        }

        return (int)(left - 1);
    }

    long f(long x){  // 計算x的平方
        return (long) x * x;
    }
}

左閉右閉程式碼

class Solution {
    public int mySqrt(int x) {
        int left = 0, right = x;  //左閉右閉，所以是[0,x]
        while(left <= right){
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if(f(mid) <= x){
                left = mid + 1;
            }else{
                right = mid - 1;
            }
        }

        return left - 1;
    }

    long f(int x){  // 計算x的平方
        return (long) x * x;
    }
}

367. 有效的完全平方數

力扣連結：367. 有效的完全平方數

給你一個正整數 num 。如果 num 是一個完全平方數，則返回 true ，否則返回 false 。

完全平方數 是一個可以寫成某個整數的平方的整數。換句話說，它可以寫成某個整數和自身的乘積。

不能使用任何內建的庫函式，如 sqrt 。

示例 1：

輸入：num = 16
輸出：true
解釋：返回 true ，因為 4 * 4 = 16 且 4 是一個整數。

示例 2：

輸入：num = 14
輸出：false
解釋：返回 false ，因為 3.742 * 3.742 = 14 但 3.742 不是一個整數。

左閉右開程式碼
由於 x + 1 可能溢位，所以要用 long。

class Solution {
    public boolean isPerfectSquare(int num) {
        long left = 1, right = num + 1;  //左閉右開，所以是[0,x+1)
        while(left < right){
            long mid = left + (right - left) / 2;
            long square = mid * mid;
            if(square < num){
                left = mid + 1;
            }else if(square > num){
                right = mid;
            }else{
                return true;
            }
        }

        return false;
    }
}

左閉右閉程式碼

class Solution {
    public boolean isPerfectSquare(int num) {
        int left = 1, right = num;  //左閉右閉，所以是[0,x]
        while(left <= right){
            int mid = left + (right - left) / 2;
            long square = (long) mid * mid;
            if(square < num){
                left = mid + 1;
            }else if(square > num){
                right = mid - 1;
            }else{
                return true;
            }
        }

        return false;
    }
}

二分查詢進階

以上是基礎的二分查詢型別，對於進階的題目，把問題轉化成二分查詢是一個難點。

參考資料

以上是我個人的學習心得，能力有限，如有錯誤和建議，懇請批評指正！

二分查詢基礎專題——二分模板
2021-11-03
二分查詢實現----面試總結
2016-11-14
面試
減治思想——二分查詢詳細總結
2022-04-22
【總結】二分查詢 —— 一種減而治之的查詢方法（1）
2018-11-08
【資料結構】折半查詢（二分查詢）
2012-09-15
資料結構
查詢——二分查詢
2020-09-18
資料結構與演算法整理總結---二分查詢
2020-04-06
資料結構演算法
SQL Server調優系列基礎篇（子查詢運算總結）
2014-12-22
SQLServer
二分查詢(一)——純粹的二分查詢
2018-09-24
Python查詢-二分查詢
2017-06-28
Python
二分查詢
2019-10-17
MongoDB查詢總結
2021-09-09
MongoDB
SQL查詢總結
2018-07-12
SQL
查詢演算法__二分查詢
2019-03-05
演算法
順序查詢和二分查詢
2013-08-14
PHP二分查詢
2020-08-02
PHP
二分查詢法
2019-12-10
資料庫基礎查詢--單表查詢
2018-07-15
資料庫
二分查詢 | 二分查詢的一種推薦寫法
2020-02-06
查詢演算法之二分查詢
2020-10-09
演算法
MySQL資料庫基礎——多表查詢：子查詢
2020-10-30
MySql資料庫
SQL的基礎查詢案例
2020-10-13
SQL
MySQL基礎查詢語句
2015-04-22
MySql
二分插入與二分查詢
2013-10-08
二分查詢(c++)
2020-10-25
C++
BinarySearch(二分查詢）
2016-10-04
德魯週記02 --Leetcode二分查詢題目型別總結
2020-10-11
LeetCode型別
JavaScript基礎總結
2019-01-04
JavaScript
安全基礎總結
2018-10-25
VUE基礎總結
2018-10-30
Vue
MongoDB基礎總結
2020-09-11
MongoDB
機器學習基礎總結
2023-02-07
機器學習
【HTML——基礎總結】
2016-11-18
HTML
【總結】Javascript基礎
2016-09-08
JavaScript
Java基礎總結
2014-09-08
Java
jQuery基礎總結
2024-03-21
jQuery
提高查詢速度方法總結
2006-11-02
SQL總結（一）基本查詢
2015-11-30
SQL

基礎二分查詢總結

前言

基礎的二分查詢

lower_bound 和 upper_bound

lower_bound

左閉右開程式碼實現

左閉右閉程式碼實現

upper_bound

左閉右開程式碼實現

左閉右閉程式碼實現

lower_bound 和 upper_bound 的聯絡

力扣相關題目

35. 搜尋插入位置

34. 在排序陣列中查詢元素的第一個和最後一個位置

69. x 的平方根

367. 有效的完全平方數

二分查詢進階

參考資料

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