二分法

二分法常见场景

  1. 在一个有序数组中,找某个数是否存在
// arr保证有序
    public static boolean find(int[] arr, int num) {
        if (arr == null || arr.length == 0) {
            return false;
        }
        int L = 0;
        int R = arr.length - 1;
        while (L <= R) {
            int mid = (L + R) / 2;
            if (arr[mid] == num) {
                return true;
            } else if (arr[mid] < num) {
                L = mid + 1;
            } else {
                R = mid - 1;
            }
        }
        return false;
    }

    // for test
    public static boolean test(int[] sortedArr, int num) {
        for (int cur : sortedArr) {
            if (cur == num) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    // for test
    public static int[] generateRandomArray(int maxSize, int maxValue) {
        int[] arr = new int[(int) ((maxSize + 1) * Math.random())];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
        }
        return arr;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int testTime = 500000;
        int maxSize = 10;
        int maxValue = 100;
        boolean succeed = true;
        for (int i = 0; i < testTime; i++) {
            int[] arr = generateRandomArray(maxSize, maxValue);
            Arrays.sort(arr);
            int value = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
            if (test(arr, value) != find(arr, value)) {
                System.out.println("出错了!");
                succeed = false;
                break;
            }
        }
        System.out.println(succeed ? "Nice!" : "Fucking fucked!");
    }
  1. 在一个有序数组中,找>=某个数最左侧的位置
// arr有序的,>=num 最左
    public static int mostLeftNoLessNumIndex(int[] arr, int num) {
        if (arr == null || arr.length == 0) {
            return -1;
        }
        int L = 0;
        int R = arr.length - 1;
        int ans = -1;
        while (L <= R) {
            int mid = (L + R) / 2;
            if (arr[mid] >= num) {
                ans = mid;
                R = mid - 1;
            } else {
                L = mid + 1;
            }
        }
        return ans;
    }

    // for test
    public static int test(int[] arr, int value) {
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            if (arr[i] >= value) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

    // for test
    public static int[] generateRandomArray(int maxSize, int maxValue) {
        int[] arr = new int[(int) ((maxSize + 1) * Math.random())];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
        }
        return arr;
    }

    // for test
    public static void printArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        int testTime = 500000;
        int maxSize = 10;
        int maxValue = 100;
        boolean succeed = true;
        for (int i = 0; i < testTime; i++) {
            int[] arr = generateRandomArray(maxSize, maxValue);
            Arrays.sort(arr);
            int value = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
            if (test(arr, value) != mostLeftNoLessNumIndex(arr, value)) {
                printArray(arr);
                System.out.println(value);
                System.out.println(test(arr, value));
                System.out.println(mostLeftNoLessNumIndex(arr, value));
                succeed = false;
                break;
            }
        }
        System.out.println(succeed ? "Nice!" : "Fucking fucked!");
    }
  1. 在一个有序数组中,找<=某个数最右侧的位置
// 在arr上,找满足<=value的最右位置
    public static int nearestIndex(int[] arr, int value) {
        int L = 0;
        int R = arr.length - 1;
        int index = -1; // 记录最右的对号
        while (L <= R) {
            int mid = L + ((R - L) >> 1);
            if (arr[mid] <= value) {
                index = mid;
                L = mid + 1;
            } else {
                R = mid - 1;
            }
        }
        return index;
    }

    // for test
    public static int test(int[] arr, int value) {
        for (int i = arr.length - 1; i >= 0; i--) {
            if (arr[i] <= value) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

    // for test
    public static int[] generateRandomArray(int maxSize, int maxValue) {
        int[] arr = new int[(int) ((maxSize + 1) * Math.random())];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
        }
        return arr;
    }

    // for test
    public static void printArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        int testTime = 500000;
        int maxSize = 10;
        int maxValue = 100;
        boolean succeed = true;
        for (int i = 0; i < testTime; i++) {
            int[] arr = generateRandomArray(maxSize, maxValue);
            Arrays.sort(arr);
            int value = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
            if (test(arr, value) != nearestIndex(arr, value)) {
                printArray(arr);
                System.out.println(value);
                System.out.println(test(arr, value));
                System.out.println(nearestIndex(arr, value));
                succeed = false;
                break;
            }
        }
        System.out.println(succeed ? "Nice!" : "Fucking fucked!");
    }


  1. 局部最小值的问题
    在一个无序的数组中,相邻的两个数都不相等,只需要返回一个局部最小的值
    局部最小的定义:对于长度为N的数组
  • 0号位的数比1号位的数小,0号位的数就是局部最小
  • N-1位的数比N-2位的数小,N-1位的数就是局部最小
  • 对于i号位的数,即比i-1号位的数小也比i+1号位的数小,i号位的数就是局部最小

二分法一般应用都是有序的数据中进行二分,但是对于无序的数据中,如果能够出现排他性的原则也可以应用二分法

// arr 整体无序
    // arr 相邻的数不相等!
    public static int oneMinIndex(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length == 0) {
            return -1;
        }
        int N = arr.length;
        if (N == 1) {
            return 0;
        }
        if (arr[0] < arr[1]) {
            return 0;
        }
        if (arr[N - 1] < arr[N - 2]) {
            return N - 1;
        }
        int L = 0;
        int R = N - 1;
        // L...R 肯定有局部最小
        while (L < R - 1) {
            int mid = (L + R) / 2;
            if (arr[mid] < arr[mid - 1] && arr[mid] < arr[mid + 1]) {
                return mid;
            } else {
                if (arr[mid] > arr[mid - 1]) {
                    R = mid - 1;
                } else {
                    L = mid + 1;
                }
            }
        }
        return arr[L] < arr[R] ? L : R;
    }

    // 生成随机数组,且相邻数不相等
    public static int[] randomArray(int maxLen, int maxValue) {
        int len = (int) (Math.random() * maxLen);
        int[] arr = new int[len];
        if (len > 0) {
            arr[0] = (int) (Math.random() * maxValue);
            for (int i = 1; i < len; i++) {
                do {
                    arr[i] = (int) (Math.random() * maxValue);
                } while (arr[i] == arr[i - 1]);
            }
        }
        return arr;
    }

    // 也用于测试
    public static boolean check(int[] arr, int minIndex) {
        if (arr.length == 0) {
            return minIndex == -1;
        }
        int left = minIndex - 1;
        int right = minIndex + 1;
        boolean leftBigger = left >= 0 ? arr[left] > arr[minIndex] : true;
        boolean rightBigger = right < arr.length ? arr[right] > arr[minIndex] : true;
        return leftBigger && rightBigger;
    }

    public static void printArray(int[] arr) {
        for (int num : arr) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        int maxLen = 100;
        int maxValue = 200;
        int testTime = 1000000;
        System.out.println("测试开始");
        for (int i = 0; i < testTime; i++) {
            int[] arr = randomArray(maxLen, maxValue);
            int ans = oneMinIndex(arr);
            if (!check(arr, ans)) {
                printArray(arr);
                System.out.println(ans);
                break;
            }
        }
        System.out.println("测试结束");

    }
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