我们可以用O(log n)来做Q1和Q2。

假设我们的存储芯片由n个试管阵列组成。试管中的数字x用x毫升化学液体表示。

假设我们的处理器是一束激光。当我们点燃激光时，它垂直穿过所有的管子。每次它通过化学液体，光度就降低1。在某毫升处通过光是O(1)的运算。

现在如果我们在试管的中间点上激光就会得到光度的输出

等于预先计算的值(当没有数字缺失时计算)，则缺失的数字大于n/2。 如果我们的输出更小，那么至少有一个小于n/2的数字缺失。我们也可以检查光度是否降低了1或2。如果它减少1，那么一个缺失数小于n/2，另一个大于n/2。如果它减2，那么两个数都小于n/2。

我们可以一次又一次地重复上述过程，缩小我们的问题域。在每一步中，我们将定义域缩小一半。最后我们可以得到结果。

值得一提的是并行算法(因为它们很有趣)，

sorting by some parallel algorithm, for example, parallel merge can be done in O(log^3 n) time. And then the missing number can be found by binary search in O(log n) time. Theoretically, if we have n processors then each process can check one of the inputs and set some flag that identifies the number(conveniently in an array). And in the next step each process can check each flag and finally output the number that is not flagged. The whole process will take O(1) time. It has additional O(n) space/memory requirement.

请注意，如上所述，上面提供的两个并行算法可能需要额外的空间。

我会用另一种方法来回答这个问题，询问面试官关于他试图解决的更大问题的更多细节。根据问题和围绕它的需求，显而易见的基于集的解决方案可能是正确的，而生成一个列表然后从中挑选的方法可能不是。

For example, it might be that the interviewer is going to dispatch n messages and needs to know the k that didn't result in a reply and needs to know it in as little wall clock time as possible after the n-kth reply arrives. Let's also say that the message channel's nature is such that even running at full bore, there's enough time to do some processing between messages without having any impact on how long it takes to produce the end result after the last reply arrives. That time can be put to use inserting some identifying facet of each sent message into a set and deleting it as each corresponding reply arrives. Once the last reply has arrived, the only thing to be done is to remove its identifier from the set, which in typical implementations takes O(log k+1). After that, the set contains the list of k missing elements and there's no additional processing to be done.

这当然不是批处理预先生成的数字袋的最快方法，因为整个过程运行O((log 1 + log 2 +…)+ log n) + (log n + log n-1 +…+ log k))。但它确实适用于任何k值(即使它事先不知道)，在上面的例子中，它的应用方式使最关键的区间最小化。

这里有一个解决方案，使用k位额外的存储空间，没有任何聪明的技巧，只是简单。执行时间O (n)，额外空间O (k)。只是为了证明这个问题可以解决，而不需要先阅读解决方案或成为天才:

void puzzle (int* data, int n, bool* extra, int k)
{
    // data contains n distinct numbers from 1 to n + k, extra provides
    // space for k extra bits. 

    // Rearrange the array so there are (even) even numbers at the start
    // and (odd) odd numbers at the end.
    int even = 0, odd = 0;
    while (even + odd < n)
    {
        if (data [even] % 2 == 0) ++even;
        else if (data [n - 1 - odd] % 2 == 1) ++odd;
        else { int tmp = data [even]; data [even] = data [n - 1 - odd]; 
               data [n - 1 - odd] = tmp; ++even; ++odd; }
    }

    // Erase the lowest bits of all numbers and set the extra bits to 0.
    for (int i = even; i < n; ++i) data [i] -= 1;
    for (int i = 0; i < k; ++i) extra [i] = false;

    // Set a bit for every number that is present
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        int tmp = data [i];
        tmp -= (tmp % 2);
        if (i >= even) ++tmp;
        if (tmp <= n) data [tmp - 1] += 1; else extra [tmp - n - 1] = true;
    }

    // Print out the missing ones
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
        if (data [i - 1] % 2 == 0) printf ("Number %d is missing\n", i);
    for (int i = n + 1; i <= n + k; ++i)
        if (! extra [i - n - 1]) printf ("Number %d is missing\n", i);

    // Restore the lowest bits again.
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        if (i < even) { if (data [i] % 2 != 0) data [i] -= 1; }
        else { if (data [i] % 2 == 0) data [i] += 1; }
    }
}

我相信我有一个O(k)时间和O(log(k)空间算法，前提是你有任意大整数的下限(x)和log2(x)函数:

你有一个k位的长整数(因此是log8(k)空间)，其中你加上x^2，其中x是你在袋子里找到的下一个数字:s=1^2+2^2+…这需要O(N)时间(这对面试官来说不是问题)。最后得到j= (log2(s))这是你要找的最大的数。然后s=s-j，重复上面的步骤:

for (i = 0 ; i < k ; i++)
{
  j = floor(log2(s));
  missing[i] = j;
  s -= j;
}

现在，对于2756位的整数，通常没有floor和log2函数，而是用于double。所以呢?简单地说，对于每2个字节(或1、3、4)，您可以使用这些函数来获得所需的数字，但这增加了O(N)因素的时间复杂度

要解决缺少2(和3)个数字的问题，您可以修改quickselect，它平均在O(n)内运行，如果分区是就地完成的，则使用恒定内存。

Partition the set with respect to a random pivot p into partitions l, which contain numbers smaller than the pivot, and r, which contain numbers greater than the pivot. Determine which partitions the 2 missing numbers are in by comparing the pivot value to the size of each partition (p - 1 - count(l) = count of missing numbers in l and n - count(r) - p = count of missing numbers in r) a) If each partition is missing one number, then use the difference of sums approach to find each missing number. (1 + 2 + ... + (p-1)) - sum(l) = missing #1 and ((p+1) + (p+2) ... + n) - sum(r) = missing #2 b) If one partition is missing both numbers and the partition is empty, then the missing numbers are either (p-1,p-2) or (p+1,p+2) depending on which partition is missing the numbers. If one partition is missing 2 numbers but is not empty, then recurse onto that partiton.

由于只缺少2个数字，该算法总是丢弃至少一个分区，因此保持了O(n)个快速选择的平均时间复杂度。类似地，当缺少3个数字时，该算法也会在每次传递中丢弃至少一个分区(因为当缺少2个数字时，最多只有1个分区包含多个缺少的数字)。然而，我不确定当添加更多缺失的数字时，性能会下降多少。

下面是一个不使用就地分区的实现，所以这个例子不满足空间要求，但它确实说明了算法的步骤:

<?php

  $list = range(1,100);
  unset($list[3]);
  unset($list[31]);

  findMissing($list,1,100);

  function findMissing($list, $min, $max) {
    if(empty($list)) {
      print_r(range($min, $max));
      return;
    }

    $l = $r = [];
    $pivot = array_pop($list);

    foreach($list as $number) {
      if($number < $pivot) {
        $l[] = $number;
      }
      else {
        $r[] = $number;
      }
    }

    if(count($l) == $pivot - $min - 1) {
      // only 1 missing number use difference of sums
      print array_sum(range($min, $pivot-1)) - array_sum($l) . "\n";
    }
    else if(count($l) < $pivot - $min) {
      // more than 1 missing number, recurse
      findMissing($l, $min, $pivot-1);
    }

    if(count($r) == $max - $pivot - 1) {
      // only 1 missing number use difference of sums
      print array_sum(range($pivot + 1, $max)) - array_sum($r) . "\n";
    } else if(count($r) < $max - $pivot) {
      // mroe than 1 missing number recurse
      findMissing($r, $pivot+1, $max);
    }
  }

Demo

我已经阅读了所有30个答案，并找到了最简单的一个，即使用100位数组是最好的。但正如问题所说，我们不能使用大小为N的数组，我将使用O(1)空间复杂度和k次迭代，即O(NK)时间复杂度来解决这个问题。

为了让解释更简单，假设给了我从1到15的数字，其中两个少了，即9和14，但我不知道。让包看起来像这样:

,1,2,12,4,7,5,10,11,13,15,3,6 [8].

我们知道每个数字在内部都是以位的形式表示的。 对于16之前的数字，我们只需要4位。对于10^9之前的数字，我们将需要32位。但我们先关注4位然后再推广它。

现在，假设我们有从1到15的所有数字，那么在内部，我们会有这样的数字(如果我们把它们排序):

0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

但是现在少了两个数。所以我们的表示法看起来是这样的(为了理解，可以是任何顺序):

(2MSD|2LSD)
00|01
00|10
00|11
-----
01|00
01|01
01|10
01|11
-----
10|00
missing=(10|01) 
10|10
10|11
-----
11|00
11|01
missing=(11|10)
11|11

现在让我们创建一个大小为2的位数组，其中包含具有对应的两位最高位的数字的计数。即

= [__,__,__,__] 
   00,01,10,11

从左到右扫描袋子，填充上面的数组，使比特数组的每个bin都包含数字的计数。结果如下:

= [ 3, 4, 3, 3] 
   00,01,10,11

如果所有的数字都出现了，它看起来会是这样的:

= [ 3, 4, 4, 4] 
   00,01,10,11

因此，我们知道有两个数字缺失了:一个数字的最高两位有效位数是10，另一个数字的最高两位有效位数是11。现在再次扫描列表，并为下两位有效数字填写一个大小为2的位数组。这一次，只考虑前两位有效数字为10的元素。我们将有位数组为:

= [ 1, 0, 1, 1] 
   00,01,10,11

如果MSD=10的所有数字都存在，那么所有箱子中都有1个，但现在我们看到少了一个。因此，我们有MSD=10和LSD=01缺失的数字，即1001，即9。

类似地，如果我们再次扫描，但只考虑MSD=11的元素，我们得到MSD=11和LSD=10缺失，即1110，即14。

= [ 1, 0, 1, 1] 
   00,01,10,11

因此，我们可以在等量的空间中找到缺失的数字。我们可以推广到100 1000或10^9或任何一组数字。

参考资料:http://users.ece.utexas.edu/~adnan/afi-samples-new.pdf中的问题1.6