数组（四）-- LC[167] 两数之和-有序数组

1 两数之和

1.1 题目描述

题目链接：https://leetcode.cn/problems/two-sum/description/

1.2 求解思路

1. 暴力枚举

最容易想到的方法是枚举数组中的每一个数 x，寻找数组中是否存在 target - x

参考代码

class Solution(object):
    def twoSum(self, nums, target):
        n = len(nums)
        for i in range(n):
            for j in range(i+1, n):
                if nums[i]+nums[j]==target:
                    return [i, j]

2. 哈希表

创建一个哈希表，对于每一个 x，我们首先查询哈希表中是否存在 target - x，然后将 x 插入到哈希表中，即可保证不会让 x 和自己匹配。

参考代码

class Solution:
    def twoSum(self, nums: List[int], target: int) -> List[int]:
        hash_dict = dict()
        for i, num in enumerate(nums):
            if target - num in hash_dict:
                return [hash_dict[target - num], i]
            else:
                hash_dict[num] = i

2 两数之和-输入有序数组

2.1 题目描述

题目链接：https://leetcode.cn/problems/corporate-flight-bookings/

2.2 思路分析

1. 二分查找

在数组中找到两个数，使得它们的和等于目标值，可以首先固定第一个数，然后寻找第二个数，第二个数等于目标值减去第一个数的差。利用数组的有序性质，可以通过二分查找的方法寻找第二个数。为了避免重复寻找，在寻找第二个数时，只在第一个数的右侧寻找。

参考代码

class Solution:
    def twoSum(self, numbers: List[int], target: int) -> List[int]:
        n = len(numbers)
        for i in range(n):
            low, high = i + 1, n - 1
            while low <= high:
                mid = (low + high) // 2
                if numbers[mid] == target - numbers[i]:
                    return [i + 1, mid + 1]
                elif numbers[mid] > target - numbers[i]:
                    high = mid - 1
                else:
                    low = mid + 1
        
        return [-1, -1]

复杂度分析

时间复杂度： $O (n l o g n)$ ，其中 $n$ 是数组的长度。需要遍历数组一次确定第一个数，时间复杂度是 $O (n)$ ，寻找第二个数使用二分查找，时间复杂度是 $O (l o g n)$ ，因此总时间复杂度是 $O (n l o g n)$ 。
空间复杂度： $O (1)$ 。

2. 双指针

思路参考自————一张图告诉你 O(n) 的双指针解法的本质原理

为什么双指针往中间移动时，不会漏掉某些情况呢？

在这道题中，我们要寻找的是符合条件的一对下标 (i,j)(i, j)(i,j)，它们需要满足的约束条件是：

i、j 都是合法的下标，即 $\leq i < n, 0 \leq j < n$
i < j（题目要求）

而我们希望从中找到满足 $A [i] + A [j] == t a r g e t$ 的下标 (i,j)。以 n=8 为例，这时候全部的搜索空间是：

由于 $i 、 j$ 的约束条件的限制，搜索空间是白色的倒三角部分。可以看到，搜索空间的大小是 $O(n^2)$ 数量级的。如果用暴力解法求解，一次只检查一个单元格，那么时间复杂度一定是 $O(n^2)$ 。要想得到 $O (n)$ 的解法，我们就需要能够一次排除多个单元格。那么我们来看看，本题的双指针解法是如何削减搜索空间的：

一开始，我们检查右上方单元格 (0,7)，即计算 $A [0] + A [7]$ ，与 target 进行比较。如果不相等的话，则要么大于 target，要么小于 target。

假设此时 $A [0] + A [7]$ 小于 target。这时候，我们应该去找和更大的两个数。由于 A[7] 已经是最大的数了，其他的数跟 A[0] 相加，和只会更小。也就是说 $A[5]、\cdots、A[0] + A[1]$ 也都小于 target，这些都是不合要求的解，可以一次排除。这相当于 $i = 0$ 的情况全部被排除。对应用双指针解法的代码，就是 $i + +$ ，对应于搜索空间，就是削减了一行的搜索空间，如下图所示。

排除掉了搜索空间中的一行之后，我们再看剩余的搜索空间，仍然是倒三角形状。我们检查右上方的单元格 $(1, 7)$ ，计算 $A [1] + A [7]$ 与 target 进行比较。

假设此时 $A [0] + A [7]$ 大于 target。这时候，我们应该去找和更小的两个数。由于 A[1] 已经是当前搜索空间最小的数了，其他的数跟 A[7] 相加的话，和只会更大。也就是说 $A[7]、\cdots、A[6] + A[7]$ 也都大于 target，这些都是不合要求的解，可以一次排除。这相当于 $j = 0$ 的情况全部被排除。对应用双指针解法的代码，就是 $j + +$ ，对应于搜索空间，就是削减了一列的搜索空间，如下图所示。

可以看到，无论 $A [i] + A [j]$ 的结果是大了还是小了，我们都可以排除掉一行或者一列的搜索空间。经过 $n$ 步以后，就能排除所有的搜索空间，检查完所有的可能性。搜索空间的减小过程如下面动图所示：

参考代码

class Solution:
    def twoSum(self, numbers: List[int], target: int) -> List[int]:
        head, tail = 0, len(numbers)-1
        while head < tail:
            two_sum = numbers[head] + numbers[tail]
            if two_sum == target:
                return [head+1, tail+1]
            elif two_sum > target:
                tail -= 1
            else:
                head += 1

复杂度分析

时间复杂度： $O (n)$ ，其中 $n$ 是数组的长度。两个指针移动的总次数最多为 $n$ 次。
空间复杂度： $O (1)$ 。