34.在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置 python

题目

题目描述

给你一个按照非递减顺序排列的整数数组 nums,和一个目标值 target。请你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]。

你必须设计并实现时间复杂度为 O(log n) 的算法解决此问题。

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 <= 10^5
-10^9 <= nums[i] <= 10^9
nums 是一个非递减数组
-10^9 <= target <= 10^9

题目链接

在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置

题解

这个问题可以通过两次二分查找来解决,一次用于找到目标值 target 在数组中的第一个出现位置(即开始位置),另一次用于找到最后一个出现的位置(即结束位置)。由于数组是按照非递减顺序排列的,并且我们需要实现时间复杂度为 O(log n) 的算法,因此二分查找是合适的选择。

算法步骤:

  1. 寻找起始位置:通过修改后的二分查找来寻找 target 的起始位置。当 nums[mid] 等于 target 时,我们继续在左半部分搜索,以确保找到最左边的目标值。
  2. 寻找结束位置:同样使用二分查找,但是这次当我们找到 nums[mid] 等于 target 时,我们继续在右半部分搜索,以确保找到最右边的目标值。
  3. 检查结果:如果两个位置都找到了,则返回这两个位置;如果没有找到,则返回 [-1, -1]

python实现

下面是 Python 实现代码:

def searchRange
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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