【C++例题 / 训练】二分算法（模板 例题）
引言
二分也就是二分查找，又叫折半查找。这种算法正如其名，每一次都要分一半。
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，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
二分法的使用条件
二分法是适用于解决具有“二段性”(单调性)的问题的方法，通常表现为求解满足某一条件的最大值或者最小值
- 上下界确定。 我们可以通过上下界的折半来优化查找。
- 二段性： 对某一范围内的数据，存在一个临界点，使得临界点某一侧的所有数据都满足某一性质，另一侧的所有数据都不满足这一性质，就称这一范围内的数据具有二段性。
二段性包括单调性，即区间内有序，这样二分出来的结果是严格大于或者小于或等于target的。
但是，二段性也体现在非单调性上，也称为局部有序，可以参考 162. 寻找峰值 和 33. 搜索旋转排序数组。由这些题我们可以得知，二分法的奥义（本质）不在于单调性，而是二段性。也就是我们能对整体无序但局部有序的序列进行二分法。
二分的前提条件
1、答案在一个区间内（一般情况下，区间会很大，暴力超时）
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。
4、若有多个答案满足题意，则这些答案具有如下特点：若答案 x 满足，则答案范围内小于 x 或大于 x 的答案均满足。
模板
🥑1 朴素版
while (l <= r)
{int mid = (r - l) / 2 + l; //防止溢出,和mid = (r - l + 1) / 2 + l;等价if (...) l = mid + 1;else if (...) r = mid - 1;else return ...;
}🍉2 求大于等于目标的最小值（查找区间左端点）
while (l < r) //区间不为空
{int mid = ((r - l) >> 1) + l;if (...) l = mid + 1; else r = mid;
}🥝3 求小于等于目标的最大值（查找区间右端点）
while (l < r)
{// 当l,r相邻时，会l=mid,<r,死循环，模板1不影响，因为l=mid+1=r int mid = ((r - l + 1) >> 1) + l;if (...) l = mid;else r = mid - 1;例题
1. 二分查找
class Solution {
public:int search(vector<int>& nums, int target) {int l = 0, r = nums.size() - 1;while (l <= r){//int mid = (r - l) / 2 + l; //朴素版本下 两个都行int mid = (r - l + 1) / 2 + l;if (nums[mid] == target) return mid;else if (nums[mid] > target) r = mid - 1;else l = mid + 1;}return -1;}
};
2. 在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置
class Solution {
public:vector<int> searchRange(vector<int>& nums, int target) {if (nums.size() == 0) return { -1,-1 };int begin = 0;// 1. 二分左端点int l = 0, r = nums.size() - 1;while (l < r) //区间不为空{int mid = ((r - l) >> 1) + l;if (nums[mid] < target)l = mid + 1;else r = mid;}// 判断是否有结果if (nums[l] != target) return { -1,-1 };else begin = l; //标记左端点l = 0, r = nums.size() - 1;while (l < r) //区间不为空{int mid = ((r - l + 1) >> 1) + l;if (nums[mid] > target) r = mid - 1;else l = mid;}return { begin, r};}
};
3. x 的平方根
class Solution {
public:int mySqrt(int x) {if (x < 1) return 0;int l = 1, r = x;while (l < r) //精度保证{long long mid = (r - l + 1) / 2 + l; //防止溢出if (mid * mid <= x) l = mid;else r = mid - 1;}return l;}
};4. 搜索插入位置
class Solution {
public:int searchInsert(vector<int>& nums, int target) {int l = 0, r = nums.size();while (l < r){int mid = (r - l) / 2 + l;if (nums[mid] < target) l = mid + 1;else r = mid;}return l;}
};5. 山脉数组的峰顶索引
思路：
该题仍具有二段性，左边递增，右边递减，用二分查找算法，
当前山峰高于左边山峰，区间往右缩小，否则往左缩小
注：封顶的左边区间，一定是递增的，因此套用模板三即可，找最右端点
class Solution {
public:int peakIndexInMountainArray(vector<int>& arr) {int l = 1, r = arr.size() - 2;while (l < r){int mid = l + (r - l + 1) / 2;if (arr[mid] > arr[mid - 1]) l = mid;else r = mid - 1;}return r;}
};6、寻找峰值
思路：
该题相比于上题，该题有多个峰值存在，故在两个封顶之间的区间内，从左到右一定递增，故套用模板二，找区间左端点即可。
class Solution {
public:int findPeakElement(vector<int>& nums) {int l = 0, r = nums.size() - 1;while (l < r) // 左边如果不大于右边，则{int mid = (r - l) / 2 + l;if (nums[mid] > nums[mid + 1]) r = mid ; else l = mid + 1;}return l;}
};7. 寻找旋转排序数组中的最小值
思路：
class Solution {
public:int findMin(vector<int>& nums) {int l = 0, r = nums.size() - 1;int x = nums[r];while (l < r){int mid = (r - l) / 2 + l;if (nums[mid] <= x) r = mid;else l = mid + 1;}return nums[l];}
};8. 点名
思路：
按照缺失的数分为左右两个区间。
左边，nums[i] == i (left = i + 1)
右边 nums[i] > i. (right = i)
注：当缺失的数是最后一个数，需要做下特殊判断，因此r 从 n 开始
class Solution {
public:int takeAttendance(vector<int>& records) {int l = 0, r = records.size();while (l < r){int mid = (r - l) / 2 + l;if (records[mid] == mid) l = mid + 1;else r = mid;}return l;}
};