二分经验分享

二分

有人让我在1到100之间猜数,如果他不作弊,(猜的过程中数字改变)我8次以内我就猜对

定义

二分查找(英语:binary search),也称折半搜索(英语:half-interval search)、对数搜索(英语:logarithmic search),是用来在一个有序数组中查找某一元素的算法。

过程

以在一个升序数组中查找一个数为例。

它每次考察数组当前部分的中间元素,如果中间元素刚好是要找的,就结束搜索过程;如果中间元素小于所查找的值,那么左侧的只会更小,不会有所查找的元素,只需到右侧查找;如果中间元素大于所查找的值同理,只需到左侧查找。

性质

时间复杂度

二分查找的最优时间复杂度为O(1) ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps1.jpg)。

二分查找的平均时间复杂度和最坏时间复杂度均为O(logN) ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps2.jpg)。因为在二分搜索过程中,算法每次都把查询的区间减半,所以对于一个长度为 ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps3.jpg) 的数组,至多会进行 ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps4.jpg) O(logN)次查找。

空间复杂度

迭代版本的二分查找的空间复杂度为O(1) ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps5.jpg)。

递归(无尾调用消除)版本的二分查找的空间复杂度为 O(logN)![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps6.jpg)。

最大值最小化

注意,这里的有序是广义的有序,如果一个数组中的左侧或者右侧都满足某一种条件,而另一侧都不满足这种条件,也可以看作是一种有序(如果把满足条件看做 ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps7.jpg),不满足看做 ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps8.jpg),至少对于这个条件的这一维度是有序的)。换言之,二分搜索法可以用来查找满足某种条件的最大(最小)的值。

要求满足某种条件的最大值的最小可能情况(最大值最小化),首先的想法是从小到大枚举这个作为答案的「最大值」,然后去判断是否合法。若答案单调,就可以使用二分搜索法来更快地找到答案。因此,要想使用二分搜索法来解这种「最大值最小化」的题目,需要满足以下三个条件:

答案在一个固定区间内;

可能查找一个符合条件的值不是很容易,但是要求能比较容易地判断某个值是否是符合条件的;

可行解对于区间满足一定的单调性。换言之,如果 ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps9.jpg) 是符合条件的,那么有 ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps10.jpg) 或者 ![|1x1](file:///C:\Users\bunny\AppData\Local\Temp\ksohtml15292\wps11.jpg) 也符合条件。(这样下来就满足了上面提到的单调性)

当然,最小值最大化是同理的。

STL 的二分查找

C++ 标准库中实现了查找首个不小于给定值的元素的函数 std::lower_bound 和查找首个大于给定值的元素的函数 std::upper_bound,二者均定义于头文件 中。

二者均采用二分实现,所以调用前必须保证元素有序。

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