--- comments: true --- # 10.2   二分搜尋插入點 二分搜尋不僅可用於搜尋目標元素，還可用於解決許多變種問題，比如搜尋目標元素的插入位置。 ## 10.2.1   無重複元素的情況 !!! question 給定一個長度為 $n$ 的有序陣列 `nums` 和一個元素 `target` ，陣列不存在重複元素。現將 `target` 插入陣列 `nums` 中，並保持其有序性。若陣列中已存在元素 `target` ，則插入到其左方。請返回插入後 `target` 在陣列中的索引。示例如圖 10-4 所示。 ![二分搜尋插入點示例資料](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_example.png){ class="animation-figure" }

圖 10-4   二分搜尋插入點示例資料

如果想複用上一節的二分搜尋程式碼，則需要回答以下兩個問題。 **問題一**：當陣列中包含 `target` 時，插入點的索引是否是該元素的索引？ 題目要求將 `target` 插入到相等元素的左邊，這意味著新插入的 `target` 替換了原來 `target` 的位置。也就是說，**當陣列包含 `target` 時，插入點的索引就是該 `target` 的索引**。 **問題二**：當陣列中不存在 `target` 時，插入點是哪個元素的索引？ 進一步思考二分搜尋過程：當 `nums[m] < target` 時 $i$ 移動，這意味著指標 $i$ 在向大於等於 `target` 的元素靠近。同理，指標 $j$ 始終在向小於等於 `target` 的元素靠近。 因此二分結束時一定有：$i$ 指向首個大於 `target` 的元素，$j$ 指向首個小於 `target` 的元素。**易得當陣列不包含 `target` 時，插入索引為 $i$** 。程式碼如下所示： === "Python" ```python title="binary_search_insertion.py" def binary_search_insertion_simple(nums: list[int], target: int) -> int: """二分搜尋插入點（無重複元素）""" i, j = 0, len(nums) - 1 # 初始化雙閉區間 [0, n-1] while i <= j: m = (i + j) // 2 # 計算中點索引 m if nums[m] < target: i = m + 1 # target 在區間 [m+1, j] 中 elif nums[m] > target: j = m - 1 # target 在區間 [i, m-1] 中 else: return m # 找到 target ，返回插入點 m # 未找到 target ，返回插入點 i return i ``` === "C++" ```cpp title="binary_search_insertion.cpp" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ int binarySearchInsertionSimple(vector &nums, int target) { int i = 0, j = nums.size() - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m; // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i; } ``` === "Java" ```java title="binary_search_insertion.java" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ int binarySearchInsertionSimple(int[] nums, int target) { int i = 0, j = nums.length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m; // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i; } ``` === "C#" ```csharp title="binary_search_insertion.cs" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ int BinarySearchInsertionSimple(int[] nums, int target) { int i = 0, j = nums.Length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m; // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i; } ``` === "Go" ```go title="binary_search_insertion.go" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ func binarySearchInsertionSimple(nums []int, target int) int { // 初始化雙閉區間 [0, n-1] i, j := 0, len(nums)-1 for i <= j { // 計算中點索引 m m := i + (j-i)/2 if nums[m] < target { // target 在區間 [m+1, j] 中 i = m + 1 } else if nums[m] > target { // target 在區間 [i, m-1] 中 j = m - 1 } else { // 找到 target ，返回插入點 m return m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i } ``` === "Swift" ```swift title="binary_search_insertion.swift" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ func binarySearchInsertionSimple(nums: [Int], target: Int) -> Int { // 初始化雙閉區間 [0, n-1] var i = nums.startIndex var j = nums.endIndex - 1 while i <= j { let m = i + (j - i) / 2 // 計算中點索引 m if nums[m] < target { i = m + 1 // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if nums[m] > target { j = m - 1 // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i } ``` === "JS" ```javascript title="binary_search_insertion.js" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ function binarySearchInsertionSimple(nums, target) { let i = 0, j = nums.length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { const m = Math.floor(i + (j - i) / 2); // 計算中點索引 m, 使用 Math.floor() 向下取整 if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m; // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i; } ``` === "TS" ```typescript title="binary_search_insertion.ts" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ function binarySearchInsertionSimple( nums: Array, target: number ): number { let i = 0, j = nums.length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { const m = Math.floor(i + (j - i) / 2); // 計算中點索引 m, 使用 Math.floor() 向下取整 if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m; // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i; } ``` === "Dart" ```dart title="binary_search_insertion.dart" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ int binarySearchInsertionSimple(List nums, int target) { int i = 0, j = nums.length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) ~/ 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m; // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i; } ``` === "Rust" ```rust title="binary_search_insertion.rs" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ fn binary_search_insertion_simple(nums: &[i32], target: i32) -> i32 { let (mut i, mut j) = (0, nums.len() as i32 - 1); // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while i <= j { let m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if nums[m as usize] < target { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if nums[m as usize] > target { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m; } } // 未找到 target ，返回插入點 i i } ``` === "C" ```c title="binary_search_insertion.c" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ int binarySearchInsertionSimple(int *nums, int numSize, int target) { int i = 0, j = numSize - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m; // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i; } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="binary_search_insertion.kt" /* 二分搜尋插入點（無重複元素） */ fun binarySearchInsertionSimple(nums: IntArray, target: Int): Int { var i = 0 var j = nums.size - 1 // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { val m = i + (j - i) / 2 // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1 // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1 // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { return m // 找到 target ，返回插入點 m } } // 未找到 target ，返回插入點 i return i } ``` === "Ruby" ```ruby title="binary_search_insertion.rb" [class]{}-[func]{binary_search_insertion_simple} ``` === "Zig" ```zig title="binary_search_insertion.zig" [class]{}-[func]{binarySearchInsertionSimple} ``` ??? pythontutor "視覺化執行"
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## 10.2.2   存在重複元素的情況 !!! question 在上一題的基礎上，規定陣列可能包含重複元素，其餘不變。 假設陣列中存在多個 `target` ，則普通二分搜尋只能返回其中一個 `target` 的索引，**而無法確定該元素的左邊和右邊還有多少 `target`**。 題目要求將目標元素插入到最左邊，**所以我們需要查詢陣列中最左一個 `target` 的索引**。初步考慮透過圖 10-5 所示的步驟實現。 1. 執行二分搜尋，得到任意一個 `target` 的索引，記為 $k$ 。 2. 從索引 $k$ 開始，向左進行線性走訪，當找到最左邊的 `target` 時返回。 ![線性查詢重複元素的插入點](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_naive.png){ class="animation-figure" }

圖 10-5   線性查詢重複元素的插入點

此方法雖然可用，但其包含線性查詢，因此時間複雜度為 $O(n)$ 。當陣列中存在很多重複的 `target` 時，該方法效率很低。 現考慮拓展二分搜尋程式碼。如圖 10-6 所示，整體流程保持不變，每輪先計算中點索引 $m$ ，再判斷 `target` 和 `nums[m]` 的大小關係，分為以下幾種情況。 - 當 `nums[m] < target` 或 `nums[m] > target` 時，說明還沒有找到 `target` ，因此採用普通二分搜尋的縮小區間操作，**從而使指標 $i$ 和 $j$ 向 `target` 靠近**。 - 當 `nums[m] == target` 時，說明小於 `target` 的元素在區間 $[i, m - 1]$ 中，因此採用 $j = m - 1$ 來縮小區間，**從而使指標 $j$ 向小於 `target` 的元素靠近**。 迴圈完成後，$i$ 指向最左邊的 `target` ，$j$ 指向首個小於 `target` 的元素，**因此索引 $i$ 就是插入點**。 === "<1>" ![二分搜尋重複元素的插入點的步驟](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_step1.png){ class="animation-figure" } === "<2>" ![binary_search_insertion_step2](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_step2.png){ class="animation-figure" } === "<3>" ![binary_search_insertion_step3](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_step3.png){ class="animation-figure" } === "<4>" ![binary_search_insertion_step4](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_step4.png){ class="animation-figure" } === "<5>" ![binary_search_insertion_step5](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_step5.png){ class="animation-figure" } === "<6>" ![binary_search_insertion_step6](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_step6.png){ class="animation-figure" } === "<7>" ![binary_search_insertion_step7](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_step7.png){ class="animation-figure" } === "<8>" ![binary_search_insertion_step8](binary_search_insertion.assets/binary_search_insertion_step8.png){ class="animation-figure" }

圖 10-6   二分搜尋重複元素的插入點的步驟

觀察以下程式碼，判斷分支 `nums[m] > target` 和 `nums[m] == target` 的操作相同，因此兩者可以合併。 即便如此，我們仍然可以將判斷條件保持展開，因為其邏輯更加清晰、可讀性更好。 === "Python" ```python title="binary_search_insertion.py" def binary_search_insertion(nums: list[int], target: int) -> int: """二分搜尋插入點（存在重複元素）""" i, j = 0, len(nums) - 1 # 初始化雙閉區間 [0, n-1] while i <= j: m = (i + j) // 2 # 計算中點索引 m if nums[m] < target: i = m + 1 # target 在區間 [m+1, j] 中 elif nums[m] > target: j = m - 1 # target 在區間 [i, m-1] 中 else: j = m - 1 # 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 # 返回插入點 i return i ``` === "C++" ```cpp title="binary_search_insertion.cpp" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ int binarySearchInsertion(vector &nums, int target) { int i = 0, j = nums.size() - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1; // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i; } ``` === "Java" ```java title="binary_search_insertion.java" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ int binarySearchInsertion(int[] nums, int target) { int i = 0, j = nums.length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1; // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i; } ``` === "C#" ```csharp title="binary_search_insertion.cs" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ int BinarySearchInsertion(int[] nums, int target) { int i = 0, j = nums.Length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1; // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i; } ``` === "Go" ```go title="binary_search_insertion.go" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ func binarySearchInsertion(nums []int, target int) int { // 初始化雙閉區間 [0, n-1] i, j := 0, len(nums)-1 for i <= j { // 計算中點索引 m m := i + (j-i)/2 if nums[m] < target { // target 在區間 [m+1, j] 中 i = m + 1 } else if nums[m] > target { // target 在區間 [i, m-1] 中 j = m - 1 } else { // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 j = m - 1 } } // 返回插入點 i return i } ``` === "Swift" ```swift title="binary_search_insertion.swift" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ func binarySearchInsertion(nums: [Int], target: Int) -> Int { // 初始化雙閉區間 [0, n-1] var i = nums.startIndex var j = nums.endIndex - 1 while i <= j { let m = i + (j - i) / 2 // 計算中點索引 m if nums[m] < target { i = m + 1 // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if nums[m] > target { j = m - 1 // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1 // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i } ``` === "JS" ```javascript title="binary_search_insertion.js" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ function binarySearchInsertion(nums, target) { let i = 0, j = nums.length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { const m = Math.floor(i + (j - i) / 2); // 計算中點索引 m, 使用 Math.floor() 向下取整 if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1; // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i; } ``` === "TS" ```typescript title="binary_search_insertion.ts" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ function binarySearchInsertion(nums: Array, target: number): number { let i = 0, j = nums.length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { const m = Math.floor(i + (j - i) / 2); // 計算中點索引 m, 使用 Math.floor() 向下取整 if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1; // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i; } ``` === "Dart" ```dart title="binary_search_insertion.dart" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ int binarySearchInsertion(List nums, int target) { int i = 0, j = nums.length - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) ~/ 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1; // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i; } ``` === "Rust" ```rust title="binary_search_insertion.rs" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ pub fn binary_search_insertion(nums: &[i32], target: i32) -> i32 { let (mut i, mut j) = (0, nums.len() as i32 - 1); // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while i <= j { let m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if nums[m as usize] < target { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if nums[m as usize] > target { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1; // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i i } ``` === "C" ```c title="binary_search_insertion.c" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ int binarySearchInsertion(int *nums, int numSize, int target) { int i = 0, j = numSize - 1; // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { int m = i + (j - i) / 2; // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1; // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1; // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1; // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i; } ``` === "Kotlin" ```kotlin title="binary_search_insertion.kt" /* 二分搜尋插入點（存在重複元素） */ fun binarySearchInsertion(nums: IntArray, target: Int): Int { var i = 0 var j = nums.size - 1 // 初始化雙閉區間 [0, n-1] while (i <= j) { val m = i + (j - i) / 2 // 計算中點索引 m if (nums[m] < target) { i = m + 1 // target 在區間 [m+1, j] 中 } else if (nums[m] > target) { j = m - 1 // target 在區間 [i, m-1] 中 } else { j = m - 1 // 首個小於 target 的元素在區間 [i, m-1] 中 } } // 返回插入點 i return i } ``` === "Ruby" ```ruby title="binary_search_insertion.rb" [class]{}-[func]{binary_search_insertion} ``` === "Zig" ```zig title="binary_search_insertion.zig" [class]{}-[func]{binarySearchInsertion} ``` ??? pythontutor "視覺化執行"
!!! tip 本節的程式碼都是“雙閉區間”寫法。有興趣的讀者可以自行實現“左閉右開”寫法。 總的來看，二分搜尋無非就是給指標 $i$ 和 $j$ 分別設定搜尋目標，目標可能是一個具體的元素（例如 `target` ），也可能是一個元素範圍（例如小於 `target` 的元素）。 在不斷的迴圈二分中，指標 $i$ 和 $j$ 都逐漸逼近預先設定的目標。最終，它們或是成功找到答案，或是越過邊界後停止。