[剑指Offer]53-在排序数组中查找数字(二分)

题目一 数字在排序数组中出现的个数

题目描述

统计一个数字在排序数组中出现的次数。

解决思路

写两个二分查找分别找第一个和最后一个该数字，然后可直接出计算有几个该数字。时间复杂度为O(logn)。
这里使用二分查找的递归写法，形式可以写得更简洁（见书）。
当输入不符合规则返回-1。注意形参len表示原始数组的长度，在此题目中是必要的。注意特殊输入的处理。

代码

#include <iostream>
using namespace std;

int findFirstK(int* num,int len,int k,int beg,int end){
    if(beg>end){
        return -1;
    }
    int midIndex=(beg+end)/2;
    int midNum=num[midIndex];
    if(k<midNum){
        return findFirstK(num, len, k, beg, midIndex-1);
    }
    else if(k>midNum){
        return findFirstK(num, len, k, midIndex+1, end);
    }
    else{
        if(midIndex==0||(midIndex>0&&num[midIndex-1]!=k)){
            return midIndex;
        }
        else{
            return findFirstK(num, len, k, beg, midIndex-1);
        }
    }
}

int findLastK(int*num,int len,int k,int beg,int end){
    if(beg>end){
        return -1;
    }
    int midIndex=(beg+end)/2;
    int midNum=num[midIndex];
    if(k<midNum){
        return findLastK(num, len, k, beg, midIndex-1);
    }
    else if(k>midNum){
        return findFirstK(num, len, k, midIndex+1, end);
    }
    else{
        if(midIndex==len-1||(midIndex<len-1&&num[midIndex+1]!=k)){//此处需要原始数组的长度len
            return midIndex;
        }
        else{
            return findLastK(num, len, k, midIndex+1, end);
        }
    }
}

int getKCnt(int *num,int len,int k,int beg,int end){
    if(num==nullptr||len<0){
        return -1;
    }
    int cnt = 0;
    int fistKIndex=findFirstK(num, len, k, beg, end);
    int lastKIndex=findLastK(num, len, k, beg, end);
    if(fistKIndex!=-1&&lastKIndex!=-1){
        cnt=lastKIndex-fistKIndex+1;
    }
    return cnt;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int num[]={1,2,3,4,4,4,5,6};
    int len=sizeof(num)/sizeof(int);
    int k=4;
    int kCnt=getKCnt(num, len, k, 0, len-1);
    cout<<"The count of K is:"<<kCnt<<endl;
    return 0;
}

题目二 0-n-1中缺失的数字

题目描述

一个长度为n-1的递增排序数组中的所有数字都是唯一的，并且每个数字都在范围0-n-1之内。在范围0-n-1内的n个数字中有且只有一个数字不在该数组中，找出这个数字。

解决思路

用二分查找找到数组中第一个树枝和下标不相等的下标，即是缺失数字。时间复杂度为O(logn)。
这里使用递归写法，使用循环写法形式更简洁。

相关知识

当数组不是有序时，可以利用数字0-n-1之和n*(n-1)/2减去 遍历数组得到的数组元素之和，即是缺失数字。由于遍历数组时间复杂度为O(logn),所以总时间复杂度为O(logn)。

代码

#include <iostream>
using namespace std;

int findMissNum(int* num,int beg,int end){
    if(num==nullptr||end-beg<0){
        return -1;
    }
    int midIndex=(beg+end)/2;
    int midNum=num[midIndex];
    if(midNum==midIndex){
        return findMissNum(num, midIndex+1, end);
    }
    else if(midNum>midIndex){
        if(midIndex==0||num[midIndex-1]==midIndex-1){//注意
            return midIndex;
        }
        else{
            return findMissNum(num, beg, midIndex-1);
        }
    }
    else{
        return -1;
    }
}

int main(){
//    int num[]={0,1,2,3,4,6,7};
    int num[]={1};
    int missNum=findMissNum(num,  0, sizeof(num)/sizeof(int)-1);
    cout<<"The missing number is:"<<missNum<<endl;
    return 0;
}

题目三 数组中数值和下标相等的元素

题目描述

假设一个单调递增数组里的每个元素都是整数且唯一。找出数组中任意一个数值等于其下标的元素。

解决思路

二分查找。时间复杂度为O(logn)。
关于细节很好的
这里使用循环写法。

二分查找的细节 第一个ok，第二、三个还需仔细理解。

参考链接 https://leetcode-cn.com/problems/binary-search/solution/er-fen-cha-zhao-xiang-jie-by-labuladong/

C++代码

#include <iostream>
using namespace std;

int findK(int* num,int len){
    if(num==nullptr||len<=0){
        return -1;
    }
    
    int l=0;
    int r=len-1;
    while(l<=r){
        int midIndex=(l+r)>>1;
        int midNum=num[midIndex];
        if(midNum==midIndex){
            return midNum;
        }
        else if(midNum>midIndex){
                r=midIndex-1;
        }
        else{
            l=midIndex+1;
        }
    }
    return -1;
}

int main(){
    int num[]={-1,0,2,3,4,5,6};
//    int num[]={0};
    int K=findK(num, sizeof(num)/sizeof(int));
    cout<<"One of the number which is equal to its index is:"<<K<<endl;
    return 0;
}

Java代码

class Solution {
    public int search(int[] nums, int target) {
        if(nums==null){
            return -1;
        }
        
        int l=0;
        int r=nums.length-1;
        while(l<=r){
            int mid=(l+r)/2;
            if(nums[mid]==target){
                return mid;
            }
            else if(nums[mid]<target){
                l=mid+1;
            }
            else{
                r=mid-1;
            }
        }
        return -1;
    }
}