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[数据结构与算法]分治1:33. 搜索旋转排序数组

分治思想是一个非常重要的方法,最典型的分治就是二分查找,在长度为n的空间里,每次查找范围都减半,这样可以大大提高查找的效率。在LeetCode中有很多题目都是基于该思想,因此我们现在继续研究一些题目。

LeetCode33 搜索旋转排序数组:

整数数组 nums 按升序排列,数组中的值 互不相同 。

在传递给函数之前,nums 在预先未知的某个下标 k(0 <= k < nums.length)上进行了循环右移,移出来的回到了左边。例如, [0,1,2,4,5,6,7] 在下标 3 处经旋转后可能变为?[4,5,6,7,0,1,2] 。

给你 旋转后 的数组 nums 和一个整数 target ,如果 nums 中存在这个目标值 target ,则返回它的下标,否则返回?-1?。

示例1:
输入:nums = [4,5,6,7,0,1,2], target = 0
输出:4

示例2:
输入:nums = [4,5,6,7,0,1,2], target = 3
输出:-1

分析,本题是一道经典的二分搜索的变换题目,思路也不难,主要问题是这道题中,数组本身不是有序的,进行旋转后只保证了数组的局部是有序的,这还能进行二分查找吗?答案是可以的。

1中规中矩,但是很难写对的解法

我们先看官网给出的方法,这是二分的变换方法,我们将数组从中间分开成左右两部分的时候,一定有一部分的数组是有序的。拿示例来看,我们从 6 这个位置分开以后数组变成了 [4, 5, 6] 和 [7, 0, 1, 2] 两个部分,其中左边 [4, 5, 6] 这个部分的数组是有序的,其他也是如此。

这启示我们可以在常规二分查找的时候查看当前 mid 为分割位置分割出来的两个部分 [l, mid] 和 [mid + 1, r] 哪个部分是有序的,并根据有序的那个部分确定我们该如何改变二分查找的上下界,因为我们能够根据有序的那部分判断出 target 在不在这个部分:

如果 [l, mid - 1] 是有序数组,且 target 的大小满足 [\textit{nums}[l],\textit{nums}[mid])[nums[l],nums[mid]),则我们应该将搜索范围缩小至 [l, mid - 1],否则在 [mid + 1, r] 中寻找。
如果 [mid, r] 是有序数组,且 target 的大小满足 (\textit{nums}[mid+1],\textit{nums}[r]](nums[mid+1],nums[r]],则我们应该将搜索范围缩小至 [mid + 1, r],否则在 [l, mid - 1] 中寻找。

fig1

代码实现如下:

class Solution {
    public int search(int[] nums, int target) {
        int n = nums.length;
        if (n == 0) {
            return -1;
        }
        if (n == 1) {
            return nums[0] == target ? 0 : -1;
        }
        int l = 0, r = n - 1;
        while (l <= r) {
            int mid = (l + r) / 2;
            if (nums[mid] == target) {
                return mid;
            }
            if (nums[0] <= nums[mid]) {
                if (nums[0] <= target && target < nums[mid]) {
                    r = mid - 1;
                } else {
                    l = mid + 1;
                }
            } else {
                if (nums[mid] < target && target <= nums[n - 1]) {
                    l = mid + 1;
                } else {
                    r = mid - 1;
                }
            }
        }
        return -1;
    }
}

官网的这种方式最大的问题是什么呢?条件太多,一个地方错了,全部歇菜,因此并不适合面试的时候采用,我们可以寻找一些相对简洁点的方法。

2.转换成有序数组中找目标值

对于旋转数组 nums = [4,5,6,7,0,1,2]
首先根据 nums[0] 与 target 的关系判断 target 是在左段还是右段。

例如 target = 5, 目标值在左半段,因此在 [4, 5, 6, 7, inf, inf, inf] 这个有序数组里找就行了;
例如 target = 1, 目标值在右半段,因此在 [-inf, -inf, -inf, -inf, 0, 1, 2] 这个有序数组里找就行了。

?如此,我们又将「旋转数组中找目标值」 转化成了 「有序数组中找目标值」,这种方式好理解,而且代码也更好写:

class Solution {
    public int search(int[] nums, int target) {
        int lo = 0, hi = nums.length - 1;
        while (lo <= hi) {
            int mid = lo + (hi - lo) / 2;
            if (nums[mid] == target) {
                return mid;
            }
            
            // 先根据 nums[0] 与 target 的关系判断目标值是在左半段还是右半段
            if (target >= nums[0]) {
                // 目标值在左半段时,若 mid 在右半段,则将 mid 索引的值改成 inf
                if (nums[mid] < nums[0]) {
                    nums[mid] = Integer.MAX_VALUE;
                }
            } else {
                // 目标值在右半段时,若 mid 在左半段,则将 mid 索引的值改成 -inf
                if (nums[mid] >= nums[0]) {
                    nums[mid] = Integer.MIN_VALUE;
                }
            }

            if (nums[mid] < target) {
                lo = mid + 1;
            } else {
                hi = mid - 1;
            }
        }
        return -1;
    }
}

?

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加:2021-11-16 19:05:28  更:2021-11-16 19:07:38 
 
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