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Search a 2D Matrix

发布于 2025-02-22 13:01:24 字数 4389 浏览 0 评论 0 收藏 0

Source

Problem

Write an efficient algorithm that searches for a value in an m x n matrix.

This matrix has the following properties:

  • Integers in each row are sorted from left to right.
  • The first integer of each row is greater than the last integer of the previous row.

Example

Consider the following matrix:

[
  [1, 3, 5, 7],
  [10, 11, 16, 20],
  [23, 30, 34, 50]
]

Given target = 3 , return true .

Challenge

O(log(n) + log(m)) time

题解 - 一次二分搜索 V.S. 两次二分搜索

  • 一次二分搜索 - 由于矩阵按升序排列,因此可将二维矩阵转换为一维问题。对原始的二分搜索进行适当改变即可(求行和列)。时间复杂度为 O(log(mn))=O(log(m)+log(n))O(log(mn))=O(log(m)+log(n))O(log(mn))=O(log(m)+log(n))
  • 两次二分搜索 - 先按行再按列进行搜索,即两次二分搜索。时间复杂度相同。

一次二分搜索

Python

class Solution:
  def search_matrix(self, matrix, target):
    # Find the first position of target
    if not matrix or not matrix[0]:
      return False
    m, n = len(matrix), len(matrix[0])
    st, ed = 0, m * n - 1

    while st + 1 < ed:
      mid = (st + ed) / 2
      if matrix[mid / n][mid % n] == target:
        return True
      elif matrix[mid / n][mid % n] < target:
        st = mid
      else:
        ed = mid
    return matrix[st / n][st % n] == target or \
        matrix[ed / n][ed % n] == target

C++

class Solution {
public:
  bool searchMatrix(vector<vector<int>>& matrix, int target) {
    if (matrix.empty() || matrix[0].empty()) return false;

    int ROW = matrix.size(), COL = matrix[0].size();
    int lb = -1, ub = ROW * COL;
    while (lb + 1 < ub) {
      int mid = lb + (ub - lb) / 2;
      if (matrix[mid / COL][mid % COL] < target) {
        lb = mid;
      } else {
        if (matrix[mid / COL][mid % COL] == target) return true;
        ub = mid;
      }
    }
    return false;
  }
};

Java

lower bound 二分模板。

public class Solution {
  /**
   * @param matrix, a list of lists of integers
   * @param target, an integer
   * @return a boolean, indicate whether matrix contains target
   */
  public boolean searchMatrix(int[][] matrix, int target) {
    if (matrix == null || matrix.length == 0 || matrix[0] == null) {
      return false;
    }

    int ROW = matrix.length, COL = matrix[0].length;
    int lb = -1, ub = ROW * COL;
    while (lb + 1 < ub) {
      int mid = lb + (ub - lb) / 2;
      if (matrix[mid / COL][mid % COL] < target) {
        lb = mid;
      } else {
        if (matrix[mid / COL][mid % COL] == target) {
          return true;
        }
        ub = mid;
      }
    }

    return false;
  }
}

源码分析

仍然可以使用经典的二分搜索模板(lower bound),注意下标的赋值即可。

  1. 首先对输入做异常处理,不仅要考虑到 matrix 为 null,还要考虑到 matrix[0]的长度也为 0。
  2. 由于 lb 的变化处一定小于 target, 故在 else 中判断。

复杂度分析

二分搜索,O(logmn)O(\log mn)O(logmn).

两次二分法

Python

class Solution:
  def search_matrix(self, matrix, target):
    if not matrix or not matrix[0]:
      return False

    # first pos >= target
    st, ed = 0, len(matrix) - 1
    while st + 1 < ed:
      mid = (st + ed) / 2
      if matrix[mid][-1] == target:
        st = mid
      elif matrix[mid][-1] < target:
        st = mid
      else:
        ed = mid
    if matrix[st][-1] >= target:
      row = matrix[st]
    elif matrix[ed][-1] >= target:
      row = matrix[ed]
    else:
      return False

    # binary search in row
    st, ed = 0, len(row) - 1
    while st + 1 < ed:
      mid = (st + ed) / 2
      if row[mid] == target:
        return True
      elif row[mid] < target:
        st = mid
      else:
        ed = mid
    return row[st] == target or row[ed] == target

源码分析

  1. 先找到 first position 的行, 这一行的最后一个元素大于等于 target
  2. 再在这一行中找 target

复杂度分析

二分搜索, O(logm+logn)O(\log m + \log n)O(logm+logn)

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