图解剑指 offer 第一题: 二维数组中的查找

题目描述

在一个二维数组中(每个一维数组的长度相同),每一行都按照从左到右递增的顺序排序,每一列都按照从上到下递增的顺序排序。请完成一个函数,输入这样的一个二维数组和一个整数,判断数组中是否含有该整数。

题目分析

图 1
如果没有头绪的话,很显然使用 暴力解法 是完全可以解决该问题的。
即遍历二维数组中的每一个元素,时间复杂度:O(n^2)。
其实到这里我们就可以发现,使用这种暴力解法并没有充分利用题目给出的信息。这个二维数组是有特点的。
  • 每一行都是递增
  • 每一列都是递增
图 2

解法

解法一:二分法

对于有序数组的查找问题而言,二分法是最容易想到的一个解法。
在这里,对每一行使用二分查找,时间复杂度为 O(nlogn) 。二分查找复杂度 O(logn),一共 n 行,所以是总体的时间复杂度是 O(nlogn) 。

解法二:规律法

根据二维数组由上到下,由左到右递增的规律。
从左下角开始遍历,如果当前值比 target 小则往右找,如果比 target 大则往上找,如果存在,必然可以找到目标数字。
即选取右上角或者左下角的元素 a[row] [col] 与 target 进行比较, 当target小于元素 a[row] [col] 时,那么 target 必定在元素 a 所在行的左边,让 col– ;当 target 大于元素 a[row] [col] 时,那么 target 必定在元素 a 所在列的下边,让 row++ ;
图 3
代码如下:
public class Solution {
     public boolean Find(int target, int [][] array) {
        int row = 0;
        int col = array[0].length – 1;
        while(row <= array.length – 1 && col >= 0){
            if(target == array[row][col])
                return true;
            else if(target > array[row][col])
                row++ ;
            else
                col– ;
        }
        return false;
    }

}

解法三:二分规律法

将解法一和解法二进行结合:对每行每列都使用二分查找,此时的时间复杂度为 O(logn * logm)
图 4
比如查找数字 9,首先使用用二分查找选出一行,总共有 5 行,那么( 0 + 5 ) / 2 = 2,所以我们找出了第 2行为基准行。
图 5
接下来对这一行(即第 2 行)又使用二分查找, 找出这一行(即第 2 行)中最后一个比目标值小的值,这里是 6。
图 6
6 及其所在的行和列把这个矩形划分为 4 部分:
图 7
  1. 左上部分(图 7 灰色部分),包括所在行的左边部分和所在列的上边部分:这一部分是绝对不会有目标数字的。因为这部分数字肯定比 6 小,而 6 又是小于目标数字的,所以左上部分全部小于目标数字。也就是说这个区域的数字不需要再进行判断了。
  2. 右下部分(图 7 绿色部分),包括所在行的右边部分,但不包括所在列的下面部分, 这一部分也是绝对不会有目标数字的。因为这部分都比 6 右边的数字 11 大,而 11 又比目标数字 9 更大,所以右下部分全部都比目标数字大。也就是说这个区域的数字也不需要再进行判断了。
  3. 左下部分(图 7 蓝色部分),可能含有目标数字。
  4. 右上部分(图 7 棕色部分),可能含有目标数字。
这样,实际上筛选的区域就只剩下左下部分(图 7 蓝色部分)右上部分(图 7 棕色部分)这两块区域了,相比于解法二而言,使用这种解法平均情况下每一次查找,都可以把行和列的长度减少一半
代码如下:
public class Solution {
       public boolean Find(int target, int [][] array) {
       // 特殊情况处理
       if (array == null || array.length == 0 || array[0].length == 0) {
            return false;
        }
        int h = array.length – 1;
        int w = array[0].length – 1;
        // 如果目标值小于最小值 或者 目标值大于最大值,那肯定不存在
        if (array[0][0] > target || array[h][w] < target) {
            return false;
        }
        return binarySearchIn2DArray(array, target, 0, h, 0, w);
    }
     public static boolean binarySearchIn2DArray(int[][] array, int target, int startX, int endX, int startY, int endY) {
        if (startX > endX || startY > endY) {
            return false;
        }
        //首先,根据二分法找出中间行
        int x = (startX + endX) / 2;
        //对该行进行二分查找
        int result = binarySearch(array[x], target, startY, endY);
        //找到的值位于 x 行,result 列
        if (array[x][result] == target) {
            return true// 如果找到则成功
        }
        //对剩余的两部分分别进行递归查找
        return binarySearchIn2DArray(array, target, startX, x – 1, result + 1, endY)
                || binarySearchIn2DArray(array, target, x + 1, endX, startY, result);
    }
     public static int binarySearch(int[] array, int target, int start, int end) {
        int i = (start + end) / 2;
        if (array[i] == target || start > end) { 
            return i;
        } else if (array[i] > target) {
            return binarySearch(array, target, start, i – 1);
        } else {
            return binarySearch(array, target, i + 1, end);
        }
    }
}
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