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两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)由于 A 中有 m 个元素, 所以我们有 m 1 种划分的方法(i = 0 ∼ m)。首先,让我们在任一位置 i 将 A 划分成两个部分:为了解决这个问题,我们需要理解 “中位数的作用是什么”。在统计中,中位数被用来:将一个集合划分为两个长度相等的子集,其中一个子集中的元素总是大于另一个子集中的元素。如果理解了中位数的划分作用,我们就很接近答案了。

题目描述:

给定两个大小为 m 和 n 的有序数组 nums1 nums2

请找出这两个有序数组的中位数。要求算法的时间复杂度为 O(log (m n)) 。

示例 1:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(1)

示例 2:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(2)

递归法

为了解决这个问题,我们需要理解 “中位数的作用是什么”。在统计中,中位数被用来:

将一个集合划分为两个长度相等的子集,其中一个子集中的元素总是大于另一个子集中的元素。

如果理解了中位数的划分作用,我们就很接近答案了。

首先,让我们在任一位置 i 将 A 划分成两个部分:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(3)

由于 A 中有 m 个元素, 所以我们有 m 1 种划分的方法(i = 0 ∼ m)。

我们知道:

len(left_A) = i,len(right_A) = m − i

注意:当 i = 0 时,left_A 为空集, 而当 i = m 时,right_A 为空集。

采用同样的方式,我们在任一位置 j 将 B 划分成两个部分:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(4)

将 left_A 和 left_B 放入一个集合,并将 right_A 和 right_B 放入另一个集合。 再把这两个新的集合分别命名为 left_part 和 right_part:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(5)

如果我们可以确认:

1. len(left_part) = len(right_part)

2. max(left_part) ≤ min(right_part)

那么,我们已经将 {A B} 中的所有元素划分为相同长度的两个部分,且其中一部分中的元素总是大于另一部分中的元素。那么:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(6)

要确保这两个条件,我们只需要保证:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(7)

ps.1 为了简化分析,我假设 A[i−1],B[j−1],A[i],B[j] 总是存在,哪怕出现 i = 0,i = m,j = 0,或是 j = n 这样的临界条件。 我将在最后讨论如何处理这些临界值。

ps.2 为什么 n ≥ m?由于 0 ≤ i ≤ m 且 j = ​(​m n 1) / 2 - i,我必须确保 j 不是负数。如果 n < m,那么 j 将可能是负数,而这会造成错误的答案。

所以,我们需要做的是:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(8)

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(9)

当找到目标对象 i 时,中位数为:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(10)

现在,让我们来考虑这些临界值 i=0,i=m,j=0,j=n,此时 A[i−1],B[j−1],A[i],B[j] 可能不存在。 其实这种情况比你想象的要容易得多。

我们需要做的是确保 max(left_part) ≤ min(right_part)。 因此,如果 I 和 j 不是临界值(这意味着 A[i−1],B[j−1],A[i],B[j] 全部存在) 那么我们必须同时检查 B[j−1] ≤ A[i] 以及 A[i−1] ≤ B[j] 是否成立。 但是如果 A[i−1],B[j−1],A[i],B[j] 中部分不存在,那么我们只需要检查这两个条件中的一个(或不需要检查)。 举个例子,如果 i = 0,那么 A[i−1] 不存在,我们就不需要检查 A[i−1] ≤ B[j] 是否成立。 所以,我们需要做的是:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(11)

在循环搜索中,我们只会遇到三种情况:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(12)

感谢 @Quentin.chen 指出:i < m ⟹ j > 0 以及 i > 0 ⟹ j < n 始终成立,这是因为:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(13)

所以,在情况 2 和 3 中,我们不需要检查 j > 0 或是 j < n 是否成立。

Java 代码实现:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(14)

Python 代码实现:

两个排序数组的中值(两个排序数组的中位数)(15)

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(log(min(m n))),
  • 首先,查找的区间是 [0 m]。 而该区间的长度在每次循环之后都会减少为原来的一半。 所以,我们只需要执行 log(m) 次循环。由于我们在每次循环中进行常量次数的操作,所以时间复杂度为 O(log(m))。 由于 m ≤ n,所以时间复杂度是 O(log(min(m n)))。
  • 空间复杂度:O(1), 我们只需要恒定的内存来存储 9 个局部变量, 所以空间复杂度为 O(1)。

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