Python二分查找【清晰易懂】

1. 二分查找是什么?

想象你在玩"猜数字"游戏:

  • 对方心里想一个 1~100 的数字,你每次猜一个数,对方会告诉你是"大了"还是"小了"。

  • 最快的方法:每次都猜中间的数!比如第一次猜50,如果大了,就猜25;如果小了,就猜75。

  • 这样每次都能排除一半的可能性,最多7次就能猜中(因为2^7=128>100)!

这就是二分查找的核心思想------每次砍掉一半的搜索范围。


2. 二分查找的条件

  • 必须是有序的列表(比如从小到大排列的数字)。

  • 如果列表是乱序的,二分查找会失效。


3. 代码示例(Python)

python 复制代码
def binary_search(arr, target):
    left, right = 0, len(arr) - 1  # 初始化搜索范围:整个列表
    
    while left <= right:
        mid = (left + right) // 2  # 取中间位置
        
        if arr[mid] == target:
            return mid  # 找到了,返回索引
        elif arr[mid] < target:
            left = mid + 1  # 目标在右半部分
        else:
            right = mid - 1  # 目标在左半部分
    
    return -1  # 没找到

# 测试
nums = [1, 3, 5, 7, 9]
print(binary_search(nums, 5))  # 输出2(因为5的索引是2)
print(binary_search(nums, 4))  # 输出-1(4不在列表中)

4. 复杂二分查找题目示例

在旋转有序数组中搜索目标值

题目描述

假设一个按升序排列的数组在某个未知点进行了旋转(例如 [0,1,2,4,5,6,7] 旋转后可能变成 [4,5,6,7,0,1,2])。

给定一个目标值 target,如果它存在于旋转后的数组中,则返回其索引,否则返回 -1。

要求时间复杂度为 O(log n)。

示例 1:

复制代码
输入: nums = [4,5,6,7,0,1,2], target = 0
输出: 4(0的索引是4)

示例 2:

复制代码
输入: nums = [4,5,6,7,0,1,2], target = 3
输出: -1(3不存在)
解题思路

处理局部有序性

旋转有序数组由两个升序子数组组成(例如 [4,5,6,7,0,1,2] 分为 [4,5,6,7] 和 [0,1,2])。

  • 左半部分:所有元素 ≥ 第一个元素(如 4,5,6,7 ≥ 4)。

  • 右半部分:所有元素 < 第一个元素(如 0,1,2 < 4)。

需要区分左半部分还是右半部分是因为二分查找依赖有序性,只有确定 mid 在哪个部分,才能正确判断 target 可能的位置。

直观例子

以数组 [4,5,6,7,0,1,2] 和 target=0 为例:

  1. 初始状态:left=0,right=6,mid=3(值 7)。

    nums[3] >= nums[0](7 >= 4)→ mid 在左半部分。target=0 不在 [4,7) 范围内 → 调整 left=4。

  2. 下一轮:left=4,right=6,mid=5(值 1)。

    nums[5] < nums[4](1 < 0 不成立)→ mid 在右半部分。target=0 不在 (1,2] 范围内 → 调整 right=4。

  3. 找到目标:nums[4] == 0,返回索引 4。

代码实现
python 复制代码
def search(nums, target):
    left, right = 0, len(nums) - 1
    
    while left <= right:
        mid = (left + right) // 2
        
        if nums[mid] == target:
            return mid
        
        # 判断mid位于左半部分还是右半部分
        if nums[mid] >= nums[left]:  # mid在左半部分(较大的一半)
            if nums[left] <= target < nums[mid]:
                right = mid - 1  # target在左半部分的左侧
            else:
                left = mid + 1   # target在左半部分的右侧或右半部分
        else:  # mid在右半部分(较小的一半)
            if nums[mid] < target <= nums[right]:
                left = mid + 1    # target在右半部分的右侧
            else:
                right = mid - 1   # target在右半部分的左侧或左半部分
    
    return -1

# 测试
nums = [4,5,6,7,0,1,2]
print(search(nums, 0))  # 输出4
print(search(nums, 3))  # 输出-1
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