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Exponential Search

P
M
T
S
p
A
#!/usr/bin/env python3

"""
Pure Python implementation of exponential search algorithm

For more information, see the Wikipedia page:
https://en.wikipedia.org/wiki/Exponential_search

For doctests run the following command:
python3 -m doctest -v exponential_search.py

For manual testing run:
python3 exponential_search.py
"""

from __future__ import annotations


def binary_search_by_recursion(
    sorted_collection: list[int], item: int, left: int = 0, right: int = -1
) -> int:
    """Pure implementation of binary search algorithm in Python using recursion

    Be careful: the collection must be ascending sorted otherwise, the result will be
    unpredictable.

    :param sorted_collection: some ascending sorted collection with comparable items
    :param item: item value to search
    :param left: starting index for the search
    :param right: ending index for the search
    :return: index of the found item or -1 if the item is not found

    Examples:
    >>> binary_search_by_recursion([0, 5, 7, 10, 15], 0, 0, 4)
    0
    >>> binary_search_by_recursion([0, 5, 7, 10, 15], 15, 0, 4)
    4
    >>> binary_search_by_recursion([0, 5, 7, 10, 15], 5, 0, 4)
    1
    >>> binary_search_by_recursion([0, 5, 7, 10, 15], 6, 0, 4)
    -1
    """
    if right < 0:
        right = len(sorted_collection) - 1
    if list(sorted_collection) != sorted(sorted_collection):
        raise ValueError("sorted_collection must be sorted in ascending order")
    if right < left:
        return -1

    midpoint = left + (right - left) // 2

    if sorted_collection[midpoint] == item:
        return midpoint
    elif sorted_collection[midpoint] > item:
        return binary_search_by_recursion(sorted_collection, item, left, midpoint - 1)
    else:
        return binary_search_by_recursion(sorted_collection, item, midpoint + 1, right)


def exponential_search(sorted_collection: list[int], item: int) -> int:
    """
    Pure implementation of an exponential search algorithm in Python.
    For more information, refer to:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Exponential_search

    Be careful: the collection must be ascending sorted, otherwise the result will be
    unpredictable.

    :param sorted_collection: some ascending sorted collection with comparable items
    :param item: item value to search
    :return: index of the found item or -1 if the item is not found

    The time complexity of this algorithm is O(log i) where i is the index of the item.

    Examples:
    >>> exponential_search([0, 5, 7, 10, 15], 0)
    0
    >>> exponential_search([0, 5, 7, 10, 15], 15)
    4
    >>> exponential_search([0, 5, 7, 10, 15], 5)
    1
    >>> exponential_search([0, 5, 7, 10, 15], 6)
    -1
    """
    if list(sorted_collection) != sorted(sorted_collection):
        raise ValueError("sorted_collection must be sorted in ascending order")

    if sorted_collection[0] == item:
        return 0

    bound = 1
    while bound < len(sorted_collection) and sorted_collection[bound] < item:
        bound *= 2

    left = bound // 2
    right = min(bound, len(sorted_collection) - 1)
    return binary_search_by_recursion(sorted_collection, item, left, right)


if __name__ == "__main__":
    import doctest

    doctest.testmod()

    # Manual testing
    user_input = input("Enter numbers separated by commas: ").strip()
    collection = sorted(int(item) for item in user_input.split(","))
    target = int(input("Enter a number to search for: "))
    result = exponential_search(sorted_collection=collection, item=target)
    if result == -1:
        print(f"{target} was not found in {collection}.")
    else:
        print(f"{target} was found at index {result} in {collection}.")
Acerca de este algoritmo

Requisitos previos

Declaración de problema

Dada una matriz ordenada de n elementos, escriba una función para buscar el índice de un elemento determinado (destino)

Enfoque

  • Búsqueda del rango dentro del cual se incluye el objetivo aumentando index por poderes de 2
  • Si este rango existe en la matriz aplicar el algoritmo de búsqueda binaria sobre él
  • Más retorno -1

Ejemplo

arr = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ... 998, 999, 1_000]

objetivo = 998
índice = 0
1. BÚSQUEDA DEL RANGO
índice = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, ..., 512, ..., 1_024
después de 10 iteración tenemos el índice en 1_024 y fuera de la matriz 
2. BÚSQUEDA BINARIA
Ahora podemos aplicar la búsqueda binaria en el subarray de 512 y 1_000.

Nota: aplicamos la búsqueda binaria de 512 a 1_000 porque en i = 2^10 = 1_024 la matriz está finisced y el número de destino es menor que el índice más reciente de la matriz ( 1_000 ).

Complejidad temporal

Peor caso: O(log *i*) donde *i* = índice (posición) del objetivo

Mejor caso: O(*1*)

Explicación de complejidad

  • La complejidad de la primera parte del algoritmo es O( log *i* ) porque si i es la posición del destino en la matriz, después de duplicar la búsqueda index ⌈log(i)⌉ veces, el algoritmo estará en un índice de búsqueda que es mayor o igual que i. Podemos escribir 2^⌈log(i)⌉ >= i
  • La complejidad de la segunda parte del algoritmo también es O ( log *i* ) porque se trata de una simple búsqueda binaria. La complejidad de búsqueda binaria ( como se explica aquí ) es O(*n*) donde n es la longitud de la matriz. En la búsqueda exponencial, la longitud de la matriz en la que se aplica el algoritmo es 2^i - 2^(i-1), en palabras significa (la longitud de la matriz de principio a *i* ) - (la parte de matriz omitida hasta la iteración anterior). Es simple verificar que 2^i - 2^(i-1) = 2^(i-1).

Después de esta explicación detallada, podemos decir que la complejidad de la búsqueda exponencial es:

O(log i) + O(log i) = 2O(log i) = O(log i)

Búsqueda binaria vs Búsqueda exponencial

Echemos un vistazo a esta comparación con un ejemplo menos teórico. Imagine que tenemos una matriz con elementos 1_000_000 y queremos buscar un elemento que esté en la posición 4th. Es fácil ver que:

  • La búsqueda binaria comienza desde el centro de la matriz y llega a la 4ª posición después de muchas iteraciones
  • La búsqueda exponencial llega al 4º índice después de sólo 2 iteraciones