字节笔试题 leetcode 69. x 的平方根

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题目

字节笔试题 leetcode 69. x 的平方根

解题思路

题目要求非负整数 x 的平方根,相当于求函数 y = √x 中 y 的值。

函数 y = √x  图像如下:

字节笔试题 leetcode 69. x 的平方根

从上图中,可以看出函数是单调递增的,满足二分查找的条件(区间是有序的),所以可以用二分查找去做。

解题步骤

  • 比较 mid * mid 跟 x 的大小,相等则直接返回 mid,否则就去以 mid 为分割点的左右区间查找,直到不满足循环循环条件(left == right + 1 或 left == right 究竟是哪一个主要跟循环条件有关,请看后面的分析)就退出。
  • 由于非负整数 x(当 x ≠ 0 时) 的平方根一定是落在区间 [1, x/2 + 1],所以左右边界分别取 1 和 x/2 + 1,而不分别取 0 和 x,这样可缩小查找范围。
  • 为了防止 mid * mid 太大而发生整型溢出,取 mid 跟 x/mid 比较。

说明

右边界 right 取 x/2 + 1,而不取 x/2,这是因为当 x = 1 时,right 如果取 x/2,由于 x/2 会向下取整使得 x/2 = 0,此时 left = 1 大于 right = 0,以至于直接跳出循环,导致 1 的平方根为 0,这明显是错误的。

Show me the Code

int mySqrt(int x){
int left = 1, right = x / 2 + 1;
// 循环不变量 始终维持在区间 [left, right] 中查找,当 left = right + 1 时,区间为空,查找结束
// 当 left == right 时,区间 [left, right] 依然有效
while (left <= right) {
// 防止溢出
int mid = left + ((right - left) >> 1);
// mid 大于 √x ,在 mid 前半区间 [left, mid - 1] 中查找,不是 [left, mid]
// 是因为会当查找到 target 时,直接返回 mid,所以没必要再考虑 mid
if (mid > x / mid) {
right = mid - 1;
// mid 小于 √x ,在 mid 后半区间 [mid + 1, right] 中查找
} else if (mid < x / mid) {
left = mid + 1;
// mid 等于 √x ,代表查找到 target,则直接返回
} else {
return mid;
}
} return right;
}

补充说明

如果没有出现 mid == x / mid 的情况,最后到底是 return right 还是 return left?
1、可以通过调试得出;

2、循环结束的条件是 left = right + 1,示例中提示了当 x = 8,其平方根是 2,有点类似于向下取整的意思,所以是 return right 。

进一步补充

可能有些童鞋会问到,上面代码中循环的条件为何是 left <= right 而不是 left < right,其实这两个条件都可以,主要区别在于:

循环结束的条件不一样,前者是 left = right + 1 后者是 left = right,即前者当 left = right + 1 时,查找区间 [left, right] 为空,后者当 left = right 时,查找区间 [left, right) 为空。

定义的右边界取值不一样,前者右边界取值为 x / 2 + 1,后者可为 x / 2 + 2。

这里会提到一个循环不变量的概念:

循环不变量

1. 初始化:它在循环的第一轮迭代开始之前,应该是正确的。

2. 如果在循环的某一次迭代开始之前它是正确的,那么,在下一次迭代开始之前,它也应该保持正确。

3. 当循环结束时,不变式给了我们一个有用的性质,它有助于表明算法是正确的。

所以本题循环的条件可以是 left <= right 也可以是 left < right,关键是查找的过程中需要一直维护查找区间 [left, right] 或 [left, right)。

下面补充一个循环条件为 left < right 的代码。

最后返回的是 right - 1,这是因为:

定义的查找区间是左闭右开[left, right),取不到右边界 right;当 left == right 时,循环退出,由于 right 取不到并且平方根有点向下取整的意味,所以取 right - 1;

通过调试也能得出。

Show me the Code

int mySqrt(int x){
int left = 1, right = x / 2 + 2;
// 循环不变量 始终维持在区间 [left, right) 中查找,当 left = right 时,区间为空,查找结束
while (left < right) {
// 防止溢出
int mid = left + ((right - left) >> 1);
// mid 大于 √x ,在 mid 前半区间 [left, mid) 中查找
if (mid > x / mid) {
right = mid;
// mid 小于 √x ,在 mid 后半区间 [mid + 1, right) 中查找
} else if (mid < x / mid) {
left = mid + 1;
// mid 等于 √x ,代表查找到 target,则直接返回
} else {
return mid;
}
}
return right - 1;
}

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