python 在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置

本文介绍了一种在有序数组中寻找特定元素起止位置的方法,并提供了一个示例性的Python类实现,该算法采用二分查找思想,确保了在O(logn)的时间复杂度内解决问题。

在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置

给定一个按照升序排列的整数数组 nums,和一个目标值 target。找出给定目标值在数组中的开始位置和结束位置。

如果数组中不存在目标值 target,返回 [-1, -1]。

进阶:

你可以设计并实现时间复杂度为 O(log n) 的算法解决此问题吗?
 

示例 1:

输入:nums = [5,7,7,8,8,10], target = 8
输出:[3,4]
示例 2:

输入:nums = [5,7,7,8,8,10], target = 6
输出:[-1,-1]
示例 3:

输入:nums = [], target = 0
输出:[-1,-1]
 

提示:

0 <= nums.length <= 105
-109 <= nums[i] <= 109
nums 是一个非递减数组
-109 <= target <= 109

题解

class Solution:
    def searchRange(self, nums: List[int], target: int) -> List[int]:
        length = len(nums)
        first = 0
        last = length - 1

        # 初始化结构数组
        retult_list = [-1, -1]

        while last >= first:
            mid = first + (last - first) // 2

            if nums[mid] == target:
                # 向前探测法
                before_mid = mid
                while before_mid > 0 and nums[before_mid-1] == target:
                    before_mid -= 1
                retult_list[0] = before_mid
                
                # 向后探测法
                after_mid = mid
                while after_mid + 1 < length and nums[after_mid+1] == target:
                    after_mid += 1
                retult_list[1] = after_mid

                return retult_list
            elif nums[mid] > target:
                last = mid - 1
            else:
                first = mid + 1 
       
        return retult_list
虽然给定引用中未包含在排序数组查找元素第一个最后一个位置的图解,但可以描述如何绘制该过程的图解,以帮助理解。 ### 二分查找左端点的图解 1. **初始状态**: - 有一个排序数组,例如 `nums = [5,7,7,8,8,10]`,目标值 `target = 8`。 - 定义左右指针 `left = 0`,`right = nums.length - 1`,即 `right = 5`。在图上可以用一个数组表示,标注出 `left` `right` 的位置。 2. **第一次循环**: - 计算中间位置 `mid = left+(right - left)/2=(0 + 5)/2 = 2`。 - 比较 `nums[mid]=7` `target = 8`,因为 `7 < 8`,所以更新 `left = mid + 1=3`。在图上可以标记出 `mid` 的位置,然后将 `left` 指针移动到新位置。 3. **第二次循环**: - 此时 `left = 3`,`right = 5`,计算 `mid = 3+(5 - 3)/2 = 4`。 - 比较 `nums[mid]=8` `target = 8`,更新 `right = mid = 4`。在图上更新 `right` 指针位置。 4. **第三次循环**: - 此时 `left = 3`,`right = 4`,计算 `mid = 3+(4 - 3)/2 = 3`。 - 比较 `nums[mid]=8` `target = 8`,更新 `right = mid = 3`。 5. **循环结束**: - 此时 `left == right`,循环结束。如果 `nums[left] == target`,则找到了左端点,这里左端点是 `3`。 ### 二分查找右端点的图解 1. **初始状态**: - 同样对于数组 `nums = [5,7,7,8,8,10]`,`target = 8`,重新初始化 `left = 0`,`right = nums.length - 1=5`。 2. **第一次循环**: - 计算 `mid = left+(right - left + 1)/2=(0 + 5+1)/2 = 3`。 - 比较 `nums[mid]=8` `target = 8`,因为 `8 <= 8`,所以更新 `left = mid = 3`。在图上标记 `mid` 位置并更新 `left` 指针。 3. **第二次循环**: - 此时 `left = 3`,`right = 5`,计算 `mid = 3+(5 - 3 + 1)/2 = 4`。 - 比较 `nums[mid]=8` `target = 8`,更新 `left = mid = 4`。 4. **第三次循环**: - 此时 `left = 4`,`right = 5`,计算 `mid = 4+(5 - 4 + 1)/2 = 5`。 - 比较 `nums[mid]=10` `target = 8`,更新 `right = mid - 1=4`。 5. **循环结束**: - 此时 `left == right`,循环结束,右端点是 `4`。 以下是用Python代码实现上述过程并打印每次循环状态的示例,可辅助生成更详细的图解: ```python def searchRange(nums, target): ret = [-1, -1] if len(nums) == 0: return ret # 二分左端点 left, right = 0, len(nums) - 1 while left < right: mid = left + (right - left) // 2 print(f"左端点查找:left = {left}, right = {right}, mid = {mid}, nums[mid] = {nums[mid]}") if nums[mid] < target: left = mid + 1 else: right = mid if nums[left] != target: return ret ret[0] = right # 二分右端点 left, right = 0, len(nums) - 1 while left < right: mid = left + (right - left + 1) // 2 print(f"右端点查找:left = {left}, right = {right}, mid = {mid}, nums[mid] = {nums[mid]}") if nums[mid] <= target: left = mid else: right = mid - 1 ret[1] = left return ret nums = [5, 7, 7, 8, 8, 10] target = 8 print(searchRange(nums, target)) ```
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