两数之和II_二分法||二分查找
1 题目描述
https://leetcode.cn/problems/two-sum-ii-input-array-is-sorted/
给你一个下标从 1 开始的整数数组 numbers ,该数组已按 非递减顺序排列 ,请你从数组中找出满足相加之和等于目标数 target 的两个数。如果设这两个数分别是 numbers[index1] 和 numbers[index2] ,则 1 <= index1 < index2 <= numbers.length 。
以长度为 2 的整数数组 [index1, index2] 的形式返回这两个整数的下标 index1 和 index2。
你可以假设每个输入 只对应唯一的答案 ,而且你 不可以 重复使用相同的元素。
你所设计的解决方案必须只使用常量级的额外空间。
2 思路
看到这一个题目,数组和有序,第一个想法就是二分查找(当然看了官方题解之后,发现还有双指针做法)。
做法很简单,给定了target
,我们对数组numbers
进行遍历,对于numbers
的每一个元素,重新在数组中寻找和该元素之和为target
的元素。如果找到的元素和遍历到的元素重复了,那么继续遍历,然后再寻找;如果不重复,那就将两个元素的位置都加一获得真实位置,然后返回。
java
public int[] twoSum(int[] numbers, int target) {
int pre = 0;
for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {
if (i > 0 && numbers[i] == pre) // 如果遇到重复元素,就别浪费这个时间了。
continue;
int other_tar = target - numbers[i];
int pos = biSearch(numbers, other_tar);
if (pos >= 0) {
if (pos == i) continue; // 防止找到自己头上, 比如参数是([0,4,5], 8), 就有会找到两个4。
return new int[]{i + 1, pos + 1}; // 索引+1变成真实位置。
}
pre = numbers[i]; // 记录前一个值
}
return null;
}
那么最重要的问题是,如何进行二分查找?
我们就事论事,如何分析这个题目呢?
相似题目可以看我的这篇文章【刷题笔记】H指数||数组||二分查找的变体
题目本身已经强调了,非递减顺序
,也就是说,数组中可能会存在一些相等的元素。举个例子
towSum([1,3,4,4], 8)
当我们遍历到第一个4的时候,为了让和为8,我们需要在数组中找到另一个为4的元素。如果二分是普通的二分查找:
java
if (numbers[mid_index] == num) {return mid_index;}
else if (numbers[mid_index] < num) l = real_mid + 1;
else r = real_mid - 1;
我们极有可能在碰到第一个4的时候,就返回了其坐标,而这和我们题目中的要求是冲突的。那么我们就会接着遍历numbers数组,碰到第二个4,然后继续进行二分查找,找到了第一个4,返回位置,发现这个组合是符合要求的,最后我们返回的两个位置是[4,3]。我替你们试过了,就算你返回的的两个坐标是对的,还是要保证坐标是从小到大的,反过来也会报错。
怎么解决这种存在多个相等元素的问题呢?我的解决方法是分成两步:
- 遍历numbers的时候,遇到重复元素,只遍历第一个。上面代码中的:
java
if (i > 0 && numbers[i] == pre) // 如果遇到重复元素,就别浪费这个时间了。
continue;
就是解决这个问题的。
- 在二分查找的时候,只找重复元素的最后一个。这样假设碰到多个重复元素,而且恰好两个重复元素之和等于我们target的情况,最终返回的坐标一定是递增顺序的。
那么我们接下来考虑,怎么在二分查找的时候,找到最后一个符合条件的元素呢?
对于二分查找有两个最重要的问题:如何计算mid
,如何跳转left和right
。
我在【刷题笔记】H指数||数组||二分查找的变体这篇博客中提出了一个思考的范式:
这个两个问题本身是一个问题,只要我们确定了如何跳转left和right,就能确定如何计算mid。
(这只是我的一点浅薄的看法,大家要根据自己的刷题情况实时更新自己的理念,我考虑出来的东西也不一定具有普适性,我只是刚刷题的菜鸡。)
怎么理解上面这句话呢?比如我们这道题,我们确定了目标是寻找满足条件(即等于other_tar)的最后 一个元素,也就是右边界,一个很符合直觉的想法就是,left
指针是不断右移的,要找右边界,left
指针最合适。
那么我们看到,当遇到这种情况的时候,numbers[mid]==other_tar
,mid
可能是右边界吗?可能。那mid
右边的位置还可能是右边界吗?不一定。如果left
移动到mid
右边,会不会错过右边界?可能会。所以,为了避免这种跳过边界的可能性,当mid
满足条件的时候,我们不是直接返回mid
,而是让left
转移到mid
的位置上,通过left
不断寻找右边界。而当numbers[mid] < other_tar
的时候,让left++
;当numbers[mid] > other_tar
的时候,right--
,这些都是常规操作了。
也就是说,当查找边界的时候,我们的left指针最后可能会指向边界。为什么是可能?因为数组里可能没有我们要找的值,这时候left一路向右,势不可挡,直接窜到了数组的边界之外,也是可能的。
现在我们解决了第二个问题,如何跳转left和right
。那么我们回过头解决第一个问题,如何计算mid
。
第二个问题,我们可以直接考虑在只剩下两个元素的时候(即只剩下left和right的时候),该如何计算mid
。
众所周知,当我们在只剩下两个元素的时候,mid元素要么是(left + right) / 2,放在left上,要么是(left + right) / 2 + 1,放在right上。
我们已经确定了,left
在某些条件下是可能直接跳转到mid
上的, 如果让mid=left,下一步如果left需要跳转,left=mid,然后mid=left。。。。。。无限循环。
所以,为了避免死循环,当只有偶数个元素的时候,我们需要让mid跳转到中间两个元素的后一个元素上。所以我说,当我们确定了left
和right
的跳转问题之后,如何计算mid
的问题就迎刃而解。
当然,传统的二分法,left跳转到mid+1,right跳转到mid-1,不会出现死循环的。咱们现在讨论的是边界问题,所以有些特殊。
我还是那句话,我花生豆大的小脑仁接受不了太多弯弯绕绕,面对二分问题的时候,left和right的取值,我倾向于直接使用真实位置,即从1开始的位置。
java
public int biSearch(int[] numbers, int num) {
int l = 1, r = numbers.length;
...
}
这样有一个好处就是符合我们的思维直觉,本身二分法的变化就多,能简化思考的地方就简化思考。
那么如果l~r范围内(闭区间)的元素个数是奇数个,(l+r)/2
就是中间数的真实位置,如果是偶数个,我们就设为(l+r)/2 + 1
。这个方法虽然笨,但是符合我们的思维直觉。
java
public int biSearch(int[] numbers, int num) {
int l = 1, r = numbers.length;
while (l < r) { // 一旦两个指针重合,遍历结束,要么是找到了,要么是l跳到边界外了。
int real_mid = (l + r) / 2 + ((l - r + 1) % 2 == 0 ? 1 : 0);
int mid_index = real_mid - 1;
if (numbers[mid_index] == num) l = real_mid;
else if (numbers[mid_index] < num) l = real_mid + 1;
else r = real_mid - 1;
}
if (l <= numbers.length && numbers[l-1] == num) return l-1;
else return -1;
}
在这里,所有的指针我都使用了真实值,只有在用到numbers[mid_index]
的时候,才用的索引。当然,这些都是我自己的习惯。
因为我们是用left
指针来判断边界,left
在跳转的过程中,我们计算mid
的时候是选择了靠右型,如果left
跳转到mid+1
的位置,可能跳出边界。
所以我们最后的判断条件是if (l <= numbers.length && numbers[l-1] == num) return l-1;
返回索引。
3 代码
java
class Solution {
public int[] twoSum(int[] numbers, int target) {
int pre = 0;
for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {
if (i > 0 && numbers[i] == pre)
continue;
int other_tar = target - numbers[i];
int pos = biSearch(numbers, other_tar);
if (pos >= 0) {
if (pos == i) continue;
return new int[]{i + 1, pos + 1};
}
pre = numbers[i];
}
return null;
}
public int biSearch(int[] numbers, int num) {
int l = 1, r = numbers.length;
while (l < r) {
int real_mid = (l + r) / 2 + ((l - r + 1) % 2 == 0 ? 1 : 0);
int mid_index = real_mid - 1;
if (numbers[mid_index] == num) l = real_mid;
else if (numbers[mid_index] < num) l = real_mid + 1;
else r = real_mid - 1;
}
if (l <= numbers.length && numbers[l-1] == num) return l-1;
else return -1;
}
}