C++二分算法(二分查找&二分答案)细节详解_c++二分答案

 二分算法可以分为二分查找和二分答案。

以在一个升序数组中查找一个数为例。它每次考察数组当前部分的中间元素，如果中间元素刚好是要找的，就结束搜索过程；如果中间元素小于所查找的值，那么左侧的只会更小，不会有所查找的元素，只需到右侧查找；如果中间元素大于所查找的值同理，只需到左侧查找。

首先明确二分查找与二分答案有何区别?

二分查找：在一个已知的有序数据集上进行二分地查找
二分答案：答案有一个区间，在这个区间中二分，直到找到最优答案

二分查找

当我们要从一个序列中查找一个元素的时候，最快想到的方法就是暴力查找法（即：从前到后依次查找）。但这种方法过于无脑，适用于元素较少的时候，一旦元素个数多起来，效率是非常低下，所以在实际中这种查找的方法是被摒弃的。

这里就不得不介绍一种简单且效率较高的查找方法了：二分查找法，又称折半查找法。但该方法是建立在有序的前提下的。

二分查找法的前提条件是：查找的序列必须是有序的。即该序列中的所有元素都是按照升序或者降序排列好的，元素与元素只间的差值虽然是随机的，但始终是在递增或递减。

模板一（基本的二分查找）

这个场景是最简单的，肯能也是大家最熟悉的，即搜索一个数，如果存在，返回其索引，否则返回 -1

int check(int num[],int size,int t){
    int left=0,right=size-1;		  // 定义了t在左闭右闭的区间内，[left, right]
    while(left<=right){				  //当left==right时，区间[left, right]仍然有效
        int mid=left+((right-left)/2);//等同于(left+right)/2，防止溢出
        if(num[mid]>t){
            right=mid-1;	  		 //t在左区间，所以答案在[left, mid-1]
        }else if(num[mid]<t){
            left=mid+1;		        //t在右区间，所以答案在[mid+1,right]
        }else{			  	     	//num[mid]==t，找到答案
            return mid;
        }
    }
    return -1;			        	//没有找到目标值
}

声明一下，计算 mid 时需要防止溢出，代码中left+(right-left)/2就和(left+right)/2的结果相同，但是有效防止了left和right太大直接相加导致溢出

总结

因为我们初始化right=size-1
所以决定了我们的查找区间是[left, right]
所以决定了while (left<=right)
同时也决定了left=mid+1和right=mid-1

因为我们只需找到一个t的索引即可
所以当num[mid]==target时可以立即返回

模板二（寻找左侧边界的二分查找）

int check(int num[],int size,int t){
    int left=0,right=size;
    while(left<right){  			//每次循环的查找区间是[left,right)左闭右开
        int mid=(left+right)/2;
   		if(nums[mid]<t){
            left=mid+1;
        }else if(nums[mid]>t){
            right=mid; 
        }else{					  //两个条件可以合并为一个 
        	right=mid;
		}
    }
    return left;			//终止的条件是left==right，此时搜索区间[left,left)为空，可以正确终止
}

总结

因为我们初始化right=size
所以决定了我们的查找区间是[left, right)
所以决定了while (left < right)
同时也决定了left=mid+1和right=mid

因为我们需找到t的最左侧索引
所以当num[mid]==t时不要立即返回
而要收紧右侧边界以锁定左侧边界

模板三（寻找右侧边界的二分查找）

int check(int num[],int size,int t){
    int left=0,right=size;
    while(left<right){			//每次循环的查找区间是[left, right)
        int mid=(left+right)/2;
        if(num[mid]<t){
            left=mid+1;
        }else if(nums[mid]>target){
            right=mid;
        }else{					//两个条件可以合并为一个
            left=mid+1; 
        }
    }
    return left-1; 				//终止的条件是left==right，此时搜索区间(right,right]为空，可以正确终止
}

总结

因为我们初始化right=size
所以决定了我们的查找区间是[left, right)
所以决定了while (left < right)
同时也决定了left=mid+1和right=mid

因为我们需找到t的最右侧索引
所以当num[mid]==t时不要立即返回
而要收紧左侧边界以锁定右侧边界

又因为收紧左侧边界时必须left=mid+1
所以最后无论返回left还是right，必须减一

对于寻找左右边界的二分搜索，常见的手法是使用左闭右开的查找区间，我们还根据逻辑将查找区间全都统一成了两端都闭，便于记忆，只要修改两处即可变化出三种写法：

int check(int num[],int size,int t){
    int left=0,right=size-1; 
    while(left<=right){
        int mid=left+(right-left)/2;
        if(num[mid]<t){
            left=mid+1;
        }else if(num[mid]>t){
            right=mid-1; 
        }else{
            return mid;// 直接返回
        }
    }
    return -1;
}
 
int check(int num[],int size,int t){
    int left=0,right=size-1;
    while(left<=right){
        int mid=left+(right-left)/2;
        if(num[mid]<t){
            left=mid+1;
        }else if(num[mid]>t) {
            right=mid-1;
        }else{
            right=mid-1;		//别返回，锁定左侧边界
        }
    }
    
    if (left>=size||num[left]!=t){
    	return -1;				// 最后要检查 left 越界的情况
	}       
    return left;
}
 
 
int check(int num[],int size,int t){
    int left=0,right=size-1;
    while(left<=right){
        int mid=left+(right-left)/2;
        if(num[mid]<t) {
            left=mid + 1;
        }else if(num[mid]>t) {
            right=mid-1;
        }else{ 
            left=mid+1;// 别返回，锁定右侧边界
        }
    }
    if (right<0||num[right]!=t){
    	return -1;// 最后要检查 right 越界的情况
	}
    return right;
}

如果以上内容你都能理解，那么恭喜你，二分查找也不过如此。。。

二分答案

什么是二分答案？
答案属于一个区间，当这个区间很大时，暴力超时。但重要的是——这个区间是对题目中的某个量有单调性的，此时，我们就会二分答案。每一次二分会做一次判断，看是否对应的那个量达到了需要的大小。
判断：根据题意写个check函数，如果满足check，就放弃右半区间（或左半区间），如果不满足，就放弃左半区间（或右半区间），一直往复，直至到最终的答案。

如何判断一个题是不是用二分答案做的呢?

典型特征:

求...最大值的最小 、 求...最小值的最大。
1.求...最大值的最小时，我们二分答案（即二分最大值）的时候，判断条件满足后，尽量让答案往前来（即：让right=mid）
2.求...最小值的最大时，我们二分答案（即二分最小值）的时候，判断条件满足后，尽量让答案往后走（即：让left=mid）

1、答案在一个区间内（一般情况下，区间会很大，暴力超时）

2、直接搜索不好搜，但是容易判断一个答案可行不可行

3、该区间对题目具有单调性，即：在区间中的值越大或越小，题目中的某个量对应增加或减少。

[NOIP2015 提高组] 跳石头 - 洛谷

我们二分的是最短距离，通过二分将这个最短距离（答案）最大化。那我们判断的时候肯定要保证mid是最短距离。

我们要求抽过石头剩下的石头中，两个石头间的最短距离为mid，那就要保证剩下的任意两个间距都要大于等于mid。要保证这个，那就只能挑间距大于等于mid的石头跳，中间的石头都将会被抽走。

最后，计数可以被抽走的石头。如果可以被抽走的石头个数小于等于需要抽的M个了，就说明满足条件。因为：既然抽了小于M个都能满足剩下的石头中，两石头间的距离都大于等于mid了，那抽M个，更能满足！       

#include<cstdio>
using namespace std;
 
const int N=50005;
int d[N];
int main(){
	int L,n,m,ans,x,left,right,mid;
	
	scanf("%d%d%d",&L,&n,&m);
	
	for(int i=0;i<n;i++){
		scanf("%d",&d[i]);
	}
	
	left=0;right=L;
	
	while(left<=right){
		mid=(left+right)/2;
		ans=0;
		x=0;
		d[n]=L;
		for(int i=0;i<=n;i++){
			if(d[i]-x<mid){
				ans++;				//两石头间距离小于mid，mid不是最短距离，不满足，移走该石头
			}else{
				x=d[i];				//符合，跳过去
			} 
		}
		if(ans<=m){
			left=mid+1;				//要的是距离的最大，所以尽可能地往右走
		}else{
			right=mid-1;
		}
	}
	printf("%d",left-1);
	return 0;
} 

Pie - HDU 1969          

当你的中间取值都满足条件时，说明比它小的都满足条件，那么此时下界就变为中间取值，当中间取值不满足条件时，说明比它大的都不满足条件，那么这时候上界就变为中间取值。

由于题目输入给的是派的半径，因此我们需要转化为体积（高为1，面积就是体积）。

那么如何判断中间值是否满足条件呢？？？
求出每个派最多能分的人数（即派的面积除以中间值取整），再将人数相加，比较此时可分得总人数是否大于朋友数加自己（即F+1），若大于则中间值满足条件，更改下界值，反之亦然。

注意将PI放在输出时乘入可提高精度。PI=acos(-1)。

#include<cstdio>
#include<cmath>
using namespace std;
 
const double PI=acos(-1.0);
const int N=10005;
double a[N];
int main(){
	int m;
	scanf("%d",&m);
	for(int i=1;i<=m;i++){
		int n,f,ans;
		double left,right,mid,v;
		scanf("%d%d",&n,&f);
		f++;right=0;
		for(int j=1;j<=n;j++){
			scanf("%lf",&a[j]);
			a[j]=PI*a[j]*a[j];
			if(right<a[j]){
				right=a[j];
			}
		}
		left=0;
		while(right-left>0.00001){            //注意精度要求，很重要！！！
			mid=(left+right)/2;
			ans=0;
			for(int k=1;k<=n;k++){
				ans+=(int)(a[k]/mid);
			}
			if(ans>=f){
				left=mid;
			}else{
				right=mid;
			}
		}
		printf("%.4lf\n",left);
	}
	return 0;
}

二分中最痛苦的问题就是边界问题。。。。。

至于边界问题，请待下回分解！！！