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【演算法入門02】旋轉陣列的最小數字

2021-09-08 11:06:02 軟體設計

核心考點:陣列理解,二分查找,臨界條件

把一個陣列最開始的若干個元素搬到陣列的末尾,我們稱之為陣列的旋轉,輸入一個非遞減排序的陣列的一個旋轉,輸出旋轉陣列的最小元素,例如陣列{3, 4, 5, 1, 2}是陣列{1, 2, 3, 4, 5}的一個旋轉,該陣列的最小值為1,NOTE:給出的所以元素都大于0,若陣列大小為0,請回傳0,

決議一:(不提倡)
尋找陣列當中的最小值,不管怎么說,遍歷一遍陣列當中元素是肯定能找到的,

class Solution {
public:
	int minNumberInRotateArray(vector<int> rotateArray) {
		if (rotateArray.size() == 0) //陣列大小為0,回傳0
			return 0;
		int min = rotateArray[0];
		//遍歷陣列尋找最小值
		for (size_t i = 1; i < rotateArray.size(); i++)
		{
			if (rotateArray[i] < min)
				min = rotateArray[i];
		}
		return min; //回傳最小值
	}
};

決議二:(較提倡)
因為原陣列是一個非遞減的陣列,所以原陣列當中的每一個元素都大于或等于其前面的一個元素,而原陣列經過旋轉后被分為兩部分(一部分是被旋轉到后面的,另一部分是未被旋轉的),這兩部分也分別滿足該規律(每一個元素都大于或等于其前面一個元素),
在這里插入圖片描述
所以我們可以挨個比較陣列當中相鄰的兩個元素,若前一個元素小于或等于后一個元素,則繼續比較;若前一個元素大于后一個元素,則說明這兩個元素之間就是分界處,此時回傳后一個元素即可,
若是遍歷完陣列都沒有找到前一個元素大于后一個元素的情況,則說明旋轉陣列是由原陣列的全部元素旋轉后得到的(旋轉后的陣列與原陣列相同),此時回傳陣列的第一個元素即為最小值,

該解法找到特定情況后便可以直接回傳陣列當中的最小值,相對于第一種解法來說效率會高一點,但其查找效率的快慢卻決于陣列的旋轉深度,

class Solution {
public:
	int minNumberInRotateArray(vector<int> rotateArray) {
		if (rotateArray.size() == 0) //陣列大小為0,回傳0
			return 0;
		for (size_t i = 1; i < rotateArray.size(); i++)
		{
			if (rotateArray[i - 1] > rotateArray[i]) //找到前一個元素小于后一個元素的情況
				return rotateArray[i]; //回傳后者即為最小值
		}
		return rotateArray[0]; //陣列遍歷結束,回傳陣列的第一個元素即為最小值
	}
};

決議三:(正解)
對于該題目,我們還可以使用二分查找的方式:找到陣列的中間元素mid,將mid與某一元素進行比較,確定最小值位于mid的哪一側,從而達到查找一次后待查找元素減半的效果,

這里我們選擇將中間元素mid與陣列的最后一個元素進行比較(也可以選擇將其與第一個元素進行比較),那么會出現以下四種情況:
情況一: left索引的元素小于right索引的元素,
在這里插入圖片描述
此時說明[left, right]區間內的元素已經是非遞減序列了,left索引的元素便是陣列當中的最小值,

情況二: mid索引的元素小于right索引的元素,
在這里插入圖片描述
此時說明[mid+1, right]區間內的元素都大于等于mid索引的元素,而mid左側還有可能有比mid索引的元素更小的元素,所以將待查找區間縮小為[left, mid],

情況三: mid索引的元素大于right索引的元素,
在這里插入圖片描述
此時說明[left, mid]區間內的元素都大于等于right索引的元素,而在mid和right之間可能有比right索引的元素更小的元素,所以將待查找區間縮小為[mid+1, right],

情況四: mid索引的元素等于right索引的元素,
在這里插入圖片描述
此時無法判斷陣列最小值位于mid的哪一側,我們可以選擇將right左移一個位置,然后重新進行判斷,

通過這種方法一直判斷下去,直到出現第一種情況得到最小值,或是直到left和right所確定的區間當中只有一個元素時,這一個元素便是陣列當中的最小值,

class Solution {
public:
	int minNumberInRotateArray(vector<int> rotateArray) {
		if (rotateArray.size() == 0) //陣列大小為0,回傳0
			return 0;
		int left = 0, right = rotateArray.size() - 1;
		while (left < right)
		{
			if (rotateArray[left] < rotateArray[right]) //[left,right]區間已經是非遞減序列,回傳區間內第一個元素即可
				return rotateArray[left];
			int mid = left + (right - left) / 2;
			if (rotateArray[mid] < rotateArray[right]) //待查找區間縮小為[left, mid]
			{
				right = mid;
			}
			else if (rotateArray[mid] > rotateArray[right]) //待查找區間縮小為[mid+1, right]
			{
				left = mid + 1;
			}
			else //mid和right索引的元素值相同,將right往左移
			{
				right--;
			}
		}
		return rotateArray[left]; //left和right所確定的區間當中只有一個元素,回傳這個元素即可
	}
};

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