深入解析二分查找算法：原理、实现与变种

目录

一、核心思想

二、前提条件

三、标准二分查找实现

场景：在有序数组中查找某个值是否存在。

关键点：

四、变种问题与实现

1. 查找第一个等于目标的位置（Lower Bound）

2. 查找最后一个等于目标的位置（Upper Bound）

3. 查找插入位置

五、STL中的二分查找

六、常见问题与陷阱

七、应用场景

八、总结

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一、核心思想

二分查找（Binary Search）是一种在有序数组中快速查找目标值的算法。其核心思想是：

1. 分治策略：通过不断将搜索区间缩小一半来逼近目标值。

2. 时间复杂度：O(log n)，效率远高于线性查找的 O(n)。

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二、前提条件

• 数组必须有序（升序或降序）。

• 若数组无序，需先排序（时间复杂度 O(n log n)）。

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三、标准二分查找实现

场景：在有序数组中查找某个值是否存在。

int binarySearch(const vector& nums, int target) {
    int left = 0, right = nums.size() - 1; // 闭区间 [left, right]
    while (left <= right) {                // 区间合法时循环
        int mid = left + (right - left) / 2; // 避免溢出
        if (nums[mid] == target) {
            return mid; // 找到目标，返回索引
        } else if (nums[mid] < target) {
            left = mid + 1; // 目标在右半区
        } else {
            right = mid - 1; // 目标在左半区
        }
    }
    return -1; // 未找到
}

关键点：

1. 循环条件：left <= right，确保区间非空时继续搜索。

2. 中间值计算：使用 mid = left + (right - left) / 2 而非 (left + right) / 2，避免整数溢出。

3. 边界调整：

   • left = mid + 1：排除左半区。

   • right = mid - 1：排除右半区。

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四、变种问题与实现

1. 查找第一个等于目标的位置（Lower Bound）

int findFirst(const vector& nums, int target) {
    int left = 0, right = nums.size() - 1;
    int res = -1;
    while (left <= right) {
        int mid = left + (right - left) / 2;
        if (nums[mid] >= target) {
            right = mid - 1; // 向左收缩，寻找左边界
            if (nums[mid] == target) res = mid;
        } else {
            left = mid + 1;
        }
    }
    return res;
}

2. 查找最后一个等于目标的位置（Upper Bound）

int findLast(const vector& nums, int target) {
    int left = 0, right = nums.size() - 1;
    int res = -1;
    while (left <= right) {
        int mid = left + (right - left) / 2;
        if (nums[mid] <= target) {
            left = mid + 1; // 向右收缩，寻找右边界
            if (nums[mid] == target) res = mid;
        } else {
            right = mid - 1;
        }
    }
    return res;
}

3. 查找插入位置

int searchInsert(const vector& nums, int target) {
    int left = 0, right = nums.size() - 1;
    while (left <= right) {
        int mid = left + (right - left) / 2;
        if (nums[mid] == target) {
            return mid;
        } else if (nums[mid] < target) {
            left = mid + 1;
        } else {
            right = mid - 1;
        }
    }
    return left; // 返回插入位置
}

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五、STL中的二分查找

C++标准库提供了以下二分查找工具：

1. std::binary_search：检查元素是否存在。

   bool exists = binary_search(nums.begin(), nums.end(), target);

2. std::lower_bound：返回第一个 >= target 的迭代器。

   auto it = lower_bound(nums.begin(), nums.end(), target);
   int index = it - nums.begin();

3. std::upper_bound：返回第一个 > target 的迭代器。

   auto it = upper_bound(nums.begin(), nums.end(), target);

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六、常见问题与陷阱

1. 死循环：

   • 错误调整边界会导致循环无法终止，如 left = mid 而非 mid + 1。

2. 边界条件：

   • 未正确处理 left 和 right 的更新。

3. 溢出问题：

   • 使用 (left + right) / 2 可能溢出，应改用 left + (right - left) / 2。

4. 未排序数组：

   • 二分查找要求数组有序，否则结果不可预测。

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七、应用场景

1. 有序数组的快速查找。

2. 寻找数值解（如平方根、方程根）。

3. 旋转排序数组中的最小值（如 [4,5,6,7,0,1,2]）。

4. 山脉数组（先增后减）的峰值查找。

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八、总结

• 核心思想：分治策略，每次缩小一半搜索范围。

• 关键点：循环终止条件、边界调整、中间值计算。

• 适用条件：有序数组。

• 变种问题：需根据具体需求调整边界条件和返回值。