35. 搜索插入位置:从边界语义理解二分查找

题目

给定一个排序数组 nums 和目标值 target,在数组中找到目标值并返回其索引。如果目标值不存在,返回它按顺序插入数组的位置。

要求使用 O(log n) 的算法。

例如:

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nums = [1, 3, 5, 6]
target = 5 -> 2
target = 2 -> 1
target = 7 -> 4
target = 0 -> 0

核心转化:寻找第一个 >= target 的位置

如果数组中存在 target,第一个 >= target 的位置就是它的索引;如果不存在,这个位置正好是插入点。因此,本题可以统一成一个边界问题:

在有序数组中,寻找第一个满足 nums[i] >= target 的下标。

定义答案为 r 后,二分过程中维护:

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下标在 l 左侧的元素都 < target
下标从 r 开始的元素都 >= target

当左右边界相邻时,r 就是第一个 >= target 的位置。特别地,r 可能等于 nums.length,表示 target 大于数组中的所有元素。

写法一:半开半闭区间 [left, right)

半开区间表示检查范围包含 left,但不包含 right。初始化为 [0, n),因此 right = n 是合法的边界,即使数组最后一个元素也小于 target

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class Solution {
    public int searchInsert(int[] nums, int target) {
        int left = 0;
        int right = nums.length;

        while (left < right) {
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if (nums[mid] >= target) {
                right = mid;
            } else {
                left = mid + 1;
            }
        }
        return left;
    }
}

循环不变量是:答案始终位于 [left, right) 中。若 nums[mid] >= targetmid 可能就是答案,所以保留它并令 right = mid;若 nums[mid] < targetmid 不可能是答案,令 left = mid + 1。循环结束时 left == right,这个位置就是答案。

写法二:闭区间 [left, right]

闭区间的两端都包含在待检查范围内,初始化为 [0, n - 1]。由于答案可能位于数组末尾之后,使用 answer 保存当前找到的最左候选位置,初始值为 n

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class Solution {
    public int searchInsert(int[] nums, int target) {
        int left = 0;
        int right = nums.length - 1;
        int answer = nums.length;

        while (left <= right) {
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if (nums[mid] >= target) {
                answer = mid;
                right = mid - 1;
            } else {
                left = mid + 1;
            }
        }
        return answer;
    }
}

nums[mid] >= target 时,mid 是一个候选答案,但左侧可能还有更早的位置,因此记录 mid 后继续搜索左半边;当 nums[mid] < target 时,只能搜索右半边。这里 right = mid - 1left = mid + 1 是闭区间写法的关键:mid 已经处理过,下一轮不能再次保留它。

写法三:开区间哨兵写法

原笔记采用的是开区间思路:left = -1right = n,把两端看作两个虚拟哨兵,并维护:

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nums[left] < target,nums[right] >= target

其中 left = -1right = n 时不访问对应元素。循环条件为 right > left + 1,每次只把 mid 归入左侧或右侧,最终 right == left + 1,返回 right

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class Solution {
    public int searchInsert(int[] nums, int target) {
        int left = -1;
        int right = nums.length;

        while (right > left + 1) {
            int mid = left + (right - left) / 2;
            if (nums[mid] >= target) {
                right = mid;
            } else {
                left = mid;
            }
        }
        return right;
    }
}

这种写法不需要额外的 answer 变量,但必须严格维护哨兵含义,并确保 mid 始终落在真实数组下标内。

三种区间写法如何选择

二分查找最容易出错的地方不是中点公式,而是区间定义不统一。写代码前先明确三件事:

  1. 区间两端是否包含。
  2. 循环结束条件是什么。
  3. mid 已经处理后,边界应该移动到 mid,还是移动到 mid + 1 / mid - 1

本题推荐半开半闭区间 [left, right):它直接支持答案为 n 的情况,且代码短、边界统一。无论选择哪种写法,都应检查空数组、单元素数组、目标值小于全部元素、目标值大于全部元素,以及目标值等于边界元素等情况。

复杂度

每次循环将候选区间缩小约一半,因此时间复杂度为 O(log n);只使用常量级变量,空间复杂度为 O(1)

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