二分查找

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Brian Lee 8月 25, 2018
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《Algorithm》(Sedgewick)笔记:二分查找


原理

  • 在数组有序的前提下
  • 先将被查找的键和子数组的中间键比较,如果被查找的键小于中间键,就在左子数组查找,大于就在右子数组查找,否则中间键就是要找的键
  • 若表中存在该键,则返回该键的位置
  • 否则返回小于该键的元素数量

时间复杂度

$O(logN)$

分析

令 $C(N)$ 为在大小为 $N$ 的数组中查找一个键所需进行的比较次数。

显然有 $C(0) = 0$ 、$C(1)=1$

对于 $N>0$ 可得到归纳关系式:

$C(N)\leq C(\lfloor N/2 \rfloor)+1$

无论查找会在中间元素的左侧还是右侧继续,子数组大小都不会超过 $\lfloor N/2 \rfloor$ ,需要一次比较来检查中间元素和被查找的键是否相等,并决定继续查找左子数组还是右子数组。

当 $N=2^n-1$ 时,$\lfloor N/2 \rfloor=2^{n-1}+1$ ,

迭代得:

$C(2^n-1)\leq C(2^0)+n$

得:$C(N)=C(2^n)\leq n+1<lgN+1$


图示

二分查找


代码

非递归

public static int binarySearch (int[] integer, int n, int key) {
        int low = 0;
        int high = n - 1;
        while (low <= high) {
            int mid = (low + high) / 2;
            if (key < integer[mid]) {
                high = mid - 1;
            }
            else if (key > integer[mid]){
                low = mid + 1;
            }
            else {
                return mid; //查找到
            }
        }
        return low;  //未查找到,返回比其少的元素数量
    }

递归

public static int search (int[] integer, int key) {
        int lo = 0, hi = integer.length - 1;
        return binarySearch(integer, key, lo, hi);
    }

public static int binarySearch (int[] integer,  int key, int lo, int hi) {
        if (lo > hi)
            return lo;    //未查找到,返回比其少的元素数量
        int mid = (lo + hi) / 2;
        if (integer[mid] == key)
            return mid;
        else if (integer[mid] > key)
            return binarySearch(integer, key, 0, mid - 1);
        else
            return binarySearch(integer, key, mid + 1, hi);
    }

源代码

https://github.com/XutongLi/Algorithm-Learn/blob/master/src/S3_Searching/S3_1_SymbolTables/S3_1_5_BinarySearch/BinarySearch.java


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