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关于二分法问题个人理解

虽然二分法很简单,但是之前并没有对其有过太多的注意,只是把它当成一个查找元素的方法来应用,但是随着后面做题的深入,发现二分法也有很多讲究,所以这里做一个总结归纳一下;
一、二分法的基础概念:二分法研究的序列可以分为重复或者非重复序列,其序列要求都是递增有序的;对于非重复序列,我们可以很简单的给出相应的推理和逻辑;例如,我们如果要在一个严格递增序列中查找给定的 x,就可以有以下代码:
int binarySearch(int A[],int left,int right,int x){
int mid;
while(left<=right){
mid=(left+right)/2;
if(A[mid]==x)
return mid;
else if(A[mid]>x){
right=mid-1;
}else{
left=mid+1;
}
}
return -1;
}
注意两点:1. 判定条件 left<=right, 有的情况下写成 left<right,这个需要视情况而定;2. 当 left 和 right 达到一定程度的时候,如果简单相加计算 mid 的时候,可能会导致溢出,所以往往比较保险的办法就是:
mid=left+(right-left)/2
这样就可以很好的避免溢出,从而保证能够进行 mid 的计算;
上述针对的是递增非重复序列,如果重复序列,我们又该作何思考?
例如示例中给出的问题,如果给出一个重复的递增序列 A,我们需要求出第一个大于等于 x 的位置 L 以及第一个大于 x 的元素的位置 R;这是两个小问题,首先先进行第一个小问题的求解:找出第一个大于等于 x 的位置 L;其实对于这个问题,前提就已经默认了,必有 L 存在,所以判定条件就会发生相应的变化;
int lower_bound(int A[],int left,int right,int x){
int mid;
while(left<right){
mid=(left+right)/2;
if(A[mid]>=x){
right=mid-1;
}else{
left=mid+1;
}
}
return left;
}
这里我们可以看出变了两个条件,第一个是 left<right,第二个是 A[mid]>=x;对于第一个条件的改变,我们可以理解为把符合条件的元素夹出来,当循环终止的时候,必有 left=right, 此时两个索引指向同一个元素,该元素就是我们在寻找的元素;而对于第二个条件的改变,则是由于题目性质决定的;如果中间点大于等于 x,则我们可以认为要寻找的第一个 x 在 mid 的左边,所以 right=mid。即使在等于条件下,由于 right=mid,所以还是可以保证要寻找的数在 [left,right] 区间内;这一点和之前的 mid+ 1 和 mid- 1 完全不同,其根本原因是序列内元素是否唯一;如果难以判别使用哪种方法,则每次及逆行 mid 迭代的时候,一定要试一试边界是否能够像预期那样包括进行需要寻找的元素;
第二个自问题就是求序列中第一个大于 x 的位置; 对于这个问题,我们仍然需要关注的是判定条件; 代码如下:
int upper_bound(int A[],int left,int right,int x){
int mid;
while(left<right){
mid=(left+right)/2;
if(A[mid]>x){
right=mid;
}else{
left=mid+1;
}
}
return left;
}
对于个算法,同样的我们需要 left==right 来将符合的值夹出来;当 A[mid]>x 时,由于我们寻找的时大于 x 的值,此时该值必在 mid 的左边,同样的,如果 mid 就是大于 x 的值,也应该包括进去,所以此时,right=mid; 当 A[mid]<= x 时,由于我们寻找的是一个大于 x 的值,所以 mid 不必包括进去,left=mid+1;
总的来说,上述推举的方法,都在解决一个核心问题:在该序列中,找到第一个符合该条件的值;
二、二分法的主要应用:1. 利用二分法求某数字的近似值:这个问题其实很经典,自己以前碰到过几次;
例如:求解根号 2 的近似值,要求精度在 10^-5;这个问题就可以利用该方法进行计算;首先我们需要构建目标函数 F(x)=x^2,从而转换成 1~2 区间内的实数计算;设置边界 left=1,right=2,来利用函数进行逼近;代码如下:
const double eps=1e-5;
double f(double x){
return x*x;
}
int binarySearch(){
double left=1;
double right=2;
double mid;
while(right-left>1e-5){
mid=(right+left)/2;
if(f(mid)>2){
right=mid;
}else{
left=mid;
}
}
return mid;
}
2. 快速幂:快速幂就是给出三个整数 a,b,m, 求得 a^b%m;这个问题也可以采用二分思想来进行递归计算;若 b 是奇数:a^b=a*a^(b-1)若 b 是偶数:a^b=a^(b/2)*a^(b/2); 代码如下:
long long binarypow(long long a,long long b,long long m){
if(b==0)
return 1;
if(b%2==1)
return a*binarypow(a,b-1,m)%m;
else{
long long mul=binarypow(a,b/2,m);
return mul*mul%m;
}
}
注意上述的 mul,不要单纯计算两次 a^(b/2), 而使用 mul,这样可以适当的介绍时间复杂度;

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