mirror of https://github.com/krahets/hello-algo.git synced 2024-12-26 02:26:28 +08:00

krahets 739f8a31bb build

2024-04-11 01:11:20 +08:00

18 KiB

Raw Blame History

comments
true

12.2 分治搜尋策略

我們已經學過，搜尋演算法分為兩大類。

暴力搜尋：它透過走訪資料結構實現，時間複雜度為 O(n) 。
自適應搜尋：它利用特有的資料組織形式或先驗資訊，時間複雜度可達到 O(\log n) 甚至 O(1) 。

實際上，時間複雜度為 O(\log n) 的搜尋演算法通常是基於分治策略實現的，例如二分搜尋和樹。

二分搜尋的每一步都將問題（在陣列中搜索目標元素）分解為一個小問題（在陣列的一半中搜索目標元素），這個過程一直持續到陣列為空或找到目標元素為止。
樹是分治思想的代表，在二元搜尋樹、AVL 樹、堆積等資料結構中，各種操作的時間複雜度皆為 O(\log n) 。

二分搜尋的分治策略如下所示。

問題可以分解：二分搜尋遞迴地將原問題（在陣列中進行查詢）分解為子問題（在陣列的一半中進行查詢），這是透過比較中間元素和目標元素來實現的。
子問題是獨立的：在二分搜尋中，每輪只處理一個子問題，它不受其他子問題的影響。
子問題的解無須合併：二分搜尋旨在查詢一個特定元素，因此不需要將子問題的解進行合併。當子問題得到解決時，原問題也會同時得到解決。

分治能夠提升搜尋效率，本質上是因為暴力搜尋每輪只能排除一個選項，而分治搜尋每輪可以排除一半選項。

1. 基於分治實現二分搜尋

在之前的章節中，二分搜尋是基於遞推（迭代）實現的。現在我們基於分治（遞迴）來實現它。

!!! question

給定一個長度為 $n$ 的有序陣列 `nums` ，其中所有元素都是唯一的，請查詢元素 `target` 。

從分治角度，我們將搜尋區間 [i, j] 對應的子問題記為 f(i, j) 。

以原問題 f(0, n-1) 為起始點，透過以下步驟進行二分搜尋。

計算搜尋區間 [i, j] 的中點 m ，根據它排除一半搜尋區間。
遞迴求解規模減小一半的子問題，可能為 f(i, m-1) 或 f(m+1, j) 。
迴圈第 1. 步和第 2. 步，直至找到 target 或區間為空時返回。

圖 12-4 展示了在陣列中二分搜尋元素 6 的分治過程。

{ class="animation-figure" }

圖 12-4 二分搜尋的分治過程

在實現程式碼中，我們宣告一個遞迴函式 dfs() 來求解問題 f(i, j) ：

=== "Python"

```python title="binary_search_recur.py"
def dfs(nums: list[int], target: int, i: int, j: int) -> int:
    """二分搜尋：問題 f(i, j)"""
    # 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if i > j:
        return -1
    # 計算中點索引 m
    m = (i + j) // 2
    if nums[m] < target:
        # 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums, target, m + 1, j)
    elif nums[m] > target:
        # 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums, target, i, m - 1)
    else:
        # 找到目標元素，返回其索引
        return m

def binary_search(nums: list[int], target: int) -> int:
    """二分搜尋"""
    n = len(nums)
    # 求解問題 f(0, n-1)
    return dfs(nums, target, 0, n - 1)
```

=== "C++"

```cpp title="binary_search_recur.cpp"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
int dfs(vector<int> &nums, int target, int i, int j) {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if (i > j) {
        return -1;
    }
    // 計算中點索引 m
    int m = (i + j) / 2;
    if (nums[m] < target) {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums, target, m + 1, j);
    } else if (nums[m] > target) {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums, target, i, m - 1);
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m;
    }
}

/* 二分搜尋 */
int binarySearch(vector<int> &nums, int target) {
    int n = nums.size();
    // 求解問題 f(0, n-1)
    return dfs(nums, target, 0, n - 1);
}
```

=== "Java"

```java title="binary_search_recur.java"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
int dfs(int[] nums, int target, int i, int j) {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if (i > j) {
        return -1;
    }
    // 計算中點索引 m
    int m = (i + j) / 2;
    if (nums[m] < target) {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums, target, m + 1, j);
    } else if (nums[m] > target) {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums, target, i, m - 1);
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m;
    }
}

/* 二分搜尋 */
int binarySearch(int[] nums, int target) {
    int n = nums.length;
    // 求解問題 f(0, n-1)
    return dfs(nums, target, 0, n - 1);
}
```

=== "C#"

```csharp title="binary_search_recur.cs"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
int DFS(int[] nums, int target, int i, int j) {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if (i > j) {
        return -1;
    }
    // 計算中點索引 m
    int m = (i + j) / 2;
    if (nums[m] < target) {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return DFS(nums, target, m + 1, j);
    } else if (nums[m] > target) {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return DFS(nums, target, i, m - 1);
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m;
    }
}

/* 二分搜尋 */
int BinarySearch(int[] nums, int target) {
    int n = nums.Length;
    // 求解問題 f(0, n-1)
    return DFS(nums, target, 0, n - 1);
}
```

=== "Go"

```go title="binary_search_recur.go"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
func dfs(nums []int, target, i, j int) int {
    // 如果區間為空，代表沒有目標元素，則返回 -1
    if i > j {
        return -1
    }
    //    計算索引中點
    m := i + ((j - i) >> 1)
    //判斷中點與目標元素大小
    if nums[m] < target {
        // 小於則遞迴右半陣列
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums, target, m+1, j)
    } else if nums[m] > target {
        // 小於則遞迴左半陣列
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums, target, i, m-1)
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m
    }
}

/* 二分搜尋 */
func binarySearch(nums []int, target int) int {
    n := len(nums)
    return dfs(nums, target, 0, n-1)
}
```

=== "Swift"

```swift title="binary_search_recur.swift"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
func dfs(nums: [Int], target: Int, i: Int, j: Int) -> Int {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if i > j {
        return -1
    }
    // 計算中點索引 m
    let m = (i + j) / 2
    if nums[m] < target {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums: nums, target: target, i: m + 1, j: j)
    } else if nums[m] > target {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums: nums, target: target, i: i, j: m - 1)
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m
    }
}

/* 二分搜尋 */
func binarySearch(nums: [Int], target: Int) -> Int {
    // 求解問題 f(0, n-1)
    dfs(nums: nums, target: target, i: nums.startIndex, j: nums.endIndex - 1)
}
```

=== "JS"

```javascript title="binary_search_recur.js"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
function dfs(nums, target, i, j) {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if (i > j) {
        return -1;
    }
    // 計算中點索引 m
    const m = i + ((j - i) >> 1);
    if (nums[m] < target) {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums, target, m + 1, j);
    } else if (nums[m] > target) {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums, target, i, m - 1);
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m;
    }
}

/* 二分搜尋 */
function binarySearch(nums, target) {
    const n = nums.length;
    // 求解問題 f(0, n-1)
    return dfs(nums, target, 0, n - 1);
}
```

=== "TS"

```typescript title="binary_search_recur.ts"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
function dfs(nums: number[], target: number, i: number, j: number): number {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if (i > j) {
        return -1;
    }
    // 計算中點索引 m
    const m = i + ((j - i) >> 1);
    if (nums[m] < target) {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums, target, m + 1, j);
    } else if (nums[m] > target) {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums, target, i, m - 1);
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m;
    }
}

/* 二分搜尋 */
function binarySearch(nums: number[], target: number): number {
    const n = nums.length;
    // 求解問題 f(0, n-1)
    return dfs(nums, target, 0, n - 1);
}
```

=== "Dart"

```dart title="binary_search_recur.dart"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
int dfs(List<int> nums, int target, int i, int j) {
  // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
  if (i > j) {
    return -1;
  }
  // 計算中點索引 m
  int m = (i + j) ~/ 2;
  if (nums[m] < target) {
    // 遞迴子問題 f(m+1, j)
    return dfs(nums, target, m + 1, j);
  } else if (nums[m] > target) {
    // 遞迴子問題 f(i, m-1)
    return dfs(nums, target, i, m - 1);
  } else {
    // 找到目標元素，返回其索引
    return m;
  }
}

/* 二分搜尋 */
int binarySearch(List<int> nums, int target) {
  int n = nums.length;
  // 求解問題 f(0, n-1)
  return dfs(nums, target, 0, n - 1);
}
```

=== "Rust"

```rust title="binary_search_recur.rs"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
fn dfs(nums: &[i32], target: i32, i: i32, j: i32) -> i32 {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if i > j {
        return -1;
    }
    let m: i32 = (i + j) / 2;
    if nums[m as usize] < target {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums, target, m + 1, j);
    } else if nums[m as usize] > target {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums, target, i, m - 1);
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m;
    }
}

/* 二分搜尋 */
fn binary_search(nums: &[i32], target: i32) -> i32 {
    let n = nums.len() as i32;
    // 求解問題 f(0, n-1)
    dfs(nums, target, 0, n - 1)
}
```

=== "C"

```c title="binary_search_recur.c"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
int dfs(int nums[], int target, int i, int j) {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if (i > j) {
        return -1;
    }
    // 計算中點索引 m
    int m = (i + j) / 2;
    if (nums[m] < target) {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        return dfs(nums, target, m + 1, j);
    } else if (nums[m] > target) {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        return dfs(nums, target, i, m - 1);
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        return m;
    }
}

/* 二分搜尋 */
int binarySearch(int nums[], int target, int numsSize) {
    int n = numsSize;
    // 求解問題 f(0, n-1)
    return dfs(nums, target, 0, n - 1);
}
```

=== "Kotlin"

```kotlin title="binary_search_recur.kt"
/* 二分搜尋：問題 f(i, j) */
fun dfs(
    nums: IntArray,
    target: Int,
    i: Int,
    j: Int
): Int {
    // 若區間為空，代表無目標元素，則返回 -1
    if (i > j) {
        return -1
    }
    // 計算中點索引 m
    val m = (i + j) / 2
    return if (nums[m] < target) {
        // 遞迴子問題 f(m+1, j)
        dfs(nums, target, m + 1, j)
    } else if (nums[m] > target) {
        // 遞迴子問題 f(i, m-1)
        dfs(nums, target, i, m - 1)
    } else {
        // 找到目標元素，返回其索引
        m
    }
}

/* 二分搜尋 */
fun binarySearch(nums: IntArray, target: Int): Int {
    val n = nums.size
    // 求解問題 f(0, n-1)
    return dfs(nums, target, 0, n - 1)
}
```

=== "Ruby"

```ruby title="binary_search_recur.rb"
[class]{}-[func]{dfs}

[class]{}-[func]{binary_search}
```

=== "Zig"

```zig title="binary_search_recur.zig"
[class]{}-[func]{dfs}

[class]{}-[func]{binarySearch}
```

??? pythontutor "視覺化執行"

<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=def%20dfs%28nums%3A%20list%5Bint%5D%2C%20target%3A%20int%2C%20i%3A%20int%2C%20j%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E4%BA%8C%E5%88%86%E6%90%9C%E5%B0%8B%EF%BC%9A%E5%95%8F%E9%A1%8C%20f%28i%2C%20j%29%22%22%22%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8B%A5%E5%8D%80%E9%96%93%E7%82%BA%E7%A9%BA%EF%BC%8C%E4%BB%A3%E8%A1%A8%E7%84%A1%E7%9B%AE%E6%A8%99%E5%85%83%E7%B4%A0%EF%BC%8C%E5%89%87%E8%BF%94%E5%9B%9E%20-1%0A%20%20%20%20if%20i%20%3E%20j%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20-1%0A%20%20%20%20%23%20%E8%A8%88%E7%AE%97%E4%B8%AD%E9%BB%9E%E7%B4%A2%E5%BC%95%20m%0A%20%20%20%20m%20%3D%20%28i%20%2B%20j%29%20//%202%0A%20%20%20%20if%20nums%5Bm%5D%20%3C%20target%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E9%81%9E%E8%BF%B4%E5%AD%90%E5%95%8F%E9%A1%8C%20f%28m%2B1%2C%20j%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20dfs%28nums%2C%20target%2C%20m%20%2B%201%2C%20j%29%0A%20%20%20%20elif%20nums%5Bm%5D%20%3E%20target%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E9%81%9E%E8%BF%B4%E5%AD%90%E5%95%8F%E9%A1%8C%20f%28i%2C%20m-1%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20dfs%28nums%2C%20target%2C%20i%2C%20m%20-%201%29%0A%20%20%20%20else%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E6%89%BE%E5%88%B0%E7%9B%AE%E6%A8%99%E5%85%83%E7%B4%A0%EF%BC%8C%E8%BF%94%E5%9B%9E%E5%85%B6%E7%B4%A2%E5%BC%95%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20m%0A%0Adef%20binary_search%28nums%3A%20list%5Bint%5D%2C%20target%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E4%BA%8C%E5%88%86%E6%90%9C%E5%B0%8B%22%22%22%0A%20%20%20%20n%20%3D%20len%28nums%29%0A%20%20%20%20%23%20%E6%B1%82%E8%A7%A3%E5%95%8F%E9%A1%8C%20f%280%2C%20n-1%29%0A%20%20%20%20return%20dfs%28nums%2C%20target%2C%200%2C%20n%20-%201%29%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20target%20%3D%206%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B1%2C%203%2C%206%2C%208%2C%2012%2C%2015%2C%2023%2C%2026%2C%2031%2C%2035%5D%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E4%BA%8C%E5%88%86%E6%90%9C%E5%B0%8B%EF%BC%88%E9%9B%99%E9%96%89%E5%8D%80%E9%96%93%EF%BC%89%0A%20%20%20%20index%20%3D%20binary_search%28nums%2C%20target%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E7%9B%AE%E6%A8%99%E5%85%83%E7%B4%A0%206%20%E7%9A%84%E7%B4%A2%E5%BC%95%20%3D%20%22%2C%20index%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=6&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=def%20dfs%28nums%3A%20list%5Bint%5D%2C%20target%3A%20int%2C%20i%3A%20int%2C%20j%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E4%BA%8C%E5%88%86%E6%90%9C%E5%B0%8B%EF%BC%9A%E5%95%8F%E9%A1%8C%20f%28i%2C%20j%29%22%22%22%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8B%A5%E5%8D%80%E9%96%93%E7%82%BA%E7%A9%BA%EF%BC%8C%E4%BB%A3%E8%A1%A8%E7%84%A1%E7%9B%AE%E6%A8%99%E5%85%83%E7%B4%A0%EF%BC%8C%E5%89%87%E8%BF%94%E5%9B%9E%20-1%0A%20%20%20%20if%20i%20%3E%20j%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20-1%0A%20%20%20%20%23%20%E8%A8%88%E7%AE%97%E4%B8%AD%E9%BB%9E%E7%B4%A2%E5%BC%95%20m%0A%20%20%20%20m%20%3D%20%28i%20%2B%20j%29%20//%202%0A%20%20%20%20if%20nums%5Bm%5D%20%3C%20target%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E9%81%9E%E8%BF%B4%E5%AD%90%E5%95%8F%E9%A1%8C%20f%28m%2B1%2C%20j%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20dfs%28nums%2C%20target%2C%20m%20%2B%201%2C%20j%29%0A%20%20%20%20elif%20nums%5Bm%5D%20%3E%20target%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E9%81%9E%E8%BF%B4%E5%AD%90%E5%95%8F%E9%A1%8C%20f%28i%2C%20m-1%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20dfs%28nums%2C%20target%2C%20i%2C%20m%20-%201%29%0A%20%20%20%20else%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E6%89%BE%E5%88%B0%E7%9B%AE%E6%A8%99%E5%85%83%E7%B4%A0%EF%BC%8C%E8%BF%94%E5%9B%9E%E5%85%B6%E7%B4%A2%E5%BC%95%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20m%0A%0Adef%20binary_search%28nums%3A%20list%5Bint%5D%2C%20target%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E4%BA%8C%E5%88%86%E6%90%9C%E5%B0%8B%22%22%22%0A%20%20%20%20n%20%3D%20len%28nums%29%0A%20%20%20%20%23%20%E6%B1%82%E8%A7%A3%E5%95%8F%E9%A1%8C%20f%280%2C%20n-1%29%0A%20%20%20%20return%20dfs%28nums%2C%20target%2C%200%2C%20n%20-%201%29%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20target%20%3D%206%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B1%2C%203%2C%206%2C%208%2C%2012%2C%2015%2C%2023%2C%2026%2C%2031%2C%2035%5D%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E4%BA%8C%E5%88%86%E6%90%9C%E5%B0%8B%EF%BC%88%E9%9B%99%E9%96%89%E5%8D%80%E9%96%93%EF%BC%89%0A%20%20%20%20index%20%3D%20binary_search%28nums%2C%20target%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E7%9B%AE%E6%A8%99%E5%85%83%E7%B4%A0%206%20%E7%9A%84%E7%B4%A2%E5%BC%95%20%3D%20%22%2C%20index%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=6&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全螢幕觀看 ></a></div>

18 KiB Raw Blame History Unescape Escape

12.2 分治搜尋策略

1. 基於分治實現二分搜尋

18 KiB

Raw Blame History