力扣(LeetCode) 69: x 的平方根 - 解法思路

问题概述

给定一个非负整数 x,返回 x 的平方根,向下取整到最近的整数。返回的整数也应该是非负的。

不能使用任何内置的指数函数或运算符。

解法 1:二分搜索

工作原理

使用二分搜索找到平方小于或等于 x 的最大整数:

python 复制代码
class Solution:
    def mySqrt(self, x):
        if x < 2:
            return x
        
        left = 1
        right = x // 2
        
        while left <= right:
            mid = left + (right - left) // 2
            square = mid * mid
            
            if square == x:
                return mid
            elif square < x:
                left = mid + 1
            else:
                right = mid - 1
        
        return right

复杂度分析

  • 时间复杂度: O(log x) - 每次迭代将搜索空间减半
  • 空间复杂度: O(1) - 只使用常数额外空间

何时使用

  • 推荐 - 标准方法,易于理解
  • 保证 O(log x) 性能
  • 处理所有边界情况

解法 2:牛顿法

工作原理

使用牛顿法迭代逼近平方根。公式为:x_{n+1} = (x_n + x / x_n) / 2。从 guess = x // 2 开始可以减少迭代次数:

python 复制代码
class Solution:
    def mySqrt(self, x):
        if x < 2:
            return x
        
        guess = x // 2
        
        while guess * guess > x:
            guess = (guess + x // guess) // 2
        
        return guess

复杂度分析

  • 时间复杂度: O(log log x) - 牛顿法二次收敛
  • 空间复杂度: O(1) - 只使用常数额外空间

何时使用

  • 更快 - 对于大数收敛速度比二分搜索快
  • 对于非常大的输入更高效
  • 需要理解牛顿法

解法 3:内置函数(不推荐用于力扣)

工作原理

使用 Python 的内置 math.sqrt() 函数。注意:此解法在力扣题目中可能不被允许,因为题目通常要求不使用内置的指数函数。

python 复制代码
import math

class Solution:
    def mySqrt(self, x):
        return int(math.sqrt(x))

复杂度分析

  • 时间复杂度: O(1) - 硬件操作
  • 空间复杂度: O(1) - 只使用常数额外空间

何时使用

  • 不推荐用于力扣 - 违反题目约束
  • Python 中最简单的解法
  • 适用于参考或非竞赛编程场景

对比

方法 时间 空间 最佳适用
二分搜索 O(log x) O(1) 大多数情况,易于理解
牛顿法 O(log log x) O(1) 大数,最优性能
内置函数 O(1) O(1) 仅作参考(力扣不允许)

总结

二分搜索是查找平方根的标准方法,搜索平方 ≤ x 的最大整数。牛顿法收敛更快(二次收敛),对于大数更高效,但二分搜索更简单直观。两种解法都实现了 O(1) 空间复杂度。

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