540. 有序数组中的单一元素 

题目描述

给你一个仅由整数组成的有序数组，其中每个元素都会出现两次，唯有一个数只会出现一次。

请你找出并返回只出现一次的那个数。

你设计的解决方案必须满足 O(log n) 时间复杂度和 O(1) 空间复杂度。

示例 1:

输入: nums = [1,1,2,3,3,4,4,8,8]
输出: 2

示例 2:

输入: nums =  [3,3,7,7,10,11,11]
输出: 10

提示:

1 <= nums.length <= 10⁵
0 <= nums[i] <= 10⁵

解法

方法一：二分查找

题目给定的数组 $\textit{nums}$ 是有序的，且要求在 $\textit{O}(\log n)$ 时间找到只出现一次的元素，因此我们考虑使用二分查找解决。

我们定义二分查找的左边界 $\textit{l} = 0$，右边界 $\textit{r} = n - 1$，其中 $n$ 是数组的长度。

在每一步中，我们取中间位置 $\textit{mid} = (l + r) / 2$，如果下标 $\textit{mid}$ 为偶数，那么我们应该将 $\textit{nums}[\textit{mid}]$ 与 $\textit{nums}[\textit{mid} + 1]$ 进行比较；如果下标 $\textit{mid}$ 为奇数，那么我们应该将 $\textit{nums}[\textit{mid}]$ 与 $\textit{nums}[\textit{mid} - 1]$ 进行比较。因此，我们可以统一将 $\textit{nums}[\textit{mid}]$ 与 $\textit{nums}[\textit{mid} \oplus 1]$ 进行比较，其中 $\oplus$ 表示异或运算。

如果 $\textit{nums}[\textit{mid}] \neq \textit{nums}[\textit{mid} \oplus 1]$，那么答案在 $[\textit{l}, \textit{mid}]$ 中，我们令 $\textit{r} = \textit{mid}$；如果 $\textit{nums}[\textit{mid}] = \textit{nums}[\textit{mid} \oplus 1]$，那么答案在 $[\textit{mid} + 1, \textit{r}]$ 中，我们令 $\textit{l} = \textit{mid} + 1$。继续二分查找，直到 $\textit{l} = \textit{r}$，此时 $\textit{nums}[\textit{l}]$ 即为只出现一次的元素。

时间复杂度 $\textit{O}(\log n)$，其中 $n$ 是数组 $\textit{nums}$ 的长度。空间复杂度 $\textit{O}(1)$。

Python3

class Solution:
    def singleNonDuplicate(self, nums: List[int]) -> int:
        l, r = 0, len(nums) - 1
        while l < r:
            mid = (l + r) >> 1
            if nums[mid] != nums[mid ^ 1]:
                r = mid
            else:
                l = mid + 1
        return nums[l]

Java

class Solution {
    public int singleNonDuplicate(int[] nums) {
        int l = 0, r = nums.length - 1;
        while (l < r) {
            int mid = (l + r) >> 1;
            if (nums[mid] != nums[mid ^ 1]) {
                r = mid;
            } else {
                l = mid + 1;
            }
        }
        return nums[l];
    }
}

C++

class Solution {
public:
    int singleNonDuplicate(vector<int>& nums) {
        int l = 0, r = nums.size() - 1;
        while (l < r) {
            int mid = (l + r) >> 1;
            if (nums[mid] != nums[mid ^ 1]) {
                r = mid;
            } else {
                l = mid + 1;
            }
        }
        return nums[l];
    }
};

Go

func singleNonDuplicate(nums []int) int {
	l, r := 0, len(nums)-1
	for l < r {
		mid := (l + r) >> 1
		if nums[mid] != nums[mid^1] {
			r = mid
		} else {
			l = mid + 1
		}
	}
	return nums[l]
}

TypeScript

function singleNonDuplicate(nums: number[]): number {
    let [l, r] = [0, nums.length - 1];
    while (l < r) {
        const mid = (l + r) >> 1;
        if (nums[mid] !== nums[mid ^ 1]) {
            r = mid;
        } else {
            l = mid + 1;
        }
    }
    return nums[l];
}

Rust

impl Solution {
    pub fn single_non_duplicate(nums: Vec<i32>) -> i32 {
        let mut l = 0;
        let mut r = nums.len() - 1;
        while l < r {
            let mid = (l + r) >> 1;
            if nums[mid] != nums[mid ^ 1] {
                r = mid;
            } else {
                l = mid + 1;
            }
        }
        nums[l]
    }
}

C

int singleNonDuplicate(int* nums, int numsSize) {
    int l = 0, r = numsSize - 1;
    while (l < r) {
        int mid = (l + r) >> 1;
        if (nums[mid] != nums[mid ^ 1]) {
            r = mid;
        } else {
            l = mid + 1;
        }
    }
    return nums[l];
}