演算法的時間複雜度

2021-09-30 06:54:58 字數 3582 閱讀 9711

時間複雜度:如果乙個問題的規模是n,解這一問題的某一演算法所需要的時間為t(n),它是n的某一函式,t(n)稱為這一演算法的「時間複雜度」。

漸近時間複雜度:當輸入量n逐漸加大時,時間複雜性的極限情形稱為演算法的「漸近時間複雜度」。

當我們評價乙個演算法的時間效能時,主要標準就是演算法的漸近時間複雜度,因此,在演算法分析時,往往對兩者不予區分,經常是將漸近時間複雜度t(n)=o(f(n))簡稱為時間複雜度,其中的f(n)一般是演算法中頻度最大的語句頻度。

此外,演算法中語句的頻度不僅與問題規模有關,還與輸入例項中各元素的取值相關。但是我們總是考慮在最壞的情況下的時間複雜度。以保證演算法的執行時間不會比它更長。

常見的時間複雜度,按數量級遞增排列依次為:常數階o(1)、對數階o(log2n)、線性階o(n)、線性對數階o(nlog2n)、平方階o(n^2)、立方階o(n^3)、k次方階o(n^k)、指數階o(2^n)。

下面我們通過例子加以說明,讓大家碰到問題時知道如何去解決。

1、設三個函式f,g,h分別為 f(n)=100n^3+n^2+1000 , g(n)=25n^3+5000n^2 , h(n)=n^1.5+5000nlgn

請判斷下列關係是否成立:

(1) f(n)=o(g(n))

(2) g(n)=o(f(n))

(3) h(n)=o(n^1.5)

(4) h(n)=o(nlgn)

這 裡我們複習一下漸近時間複雜度的表示法t(n)=o(f(n)),這裡的"o"是數學符號,它的嚴格定義是"若t(n)和f(n)是定義在正整數集合上的 兩個函式,則t(n)=o(f(n))表示存在正的常數c和n0 ,使得當n≥n0時都滿足0≤t(n)≤c?f(n)。"用容易理解的話說就是這兩個函式當整型自變數n趨向於無窮大時,兩者的比值是乙個不等於0的常 數。這麼一來,就好計算了吧。

◆ (1)成立。題中由於兩個函式的最高次項都是n^3,因此當n→∞時,兩個函式的比值是乙個常數,所以這個關係式是成立的。

◆ (2)成立。與上同理。

◆ (3)成立。與上同理。

◆ (4)不成立。由於當n→∞時n^1.5比nlgn遞增的快,所以h(n)與nlgn的比值不是常數,故不成立。

2、設n為正整數,利用大"o"記號,將下列程式段的執行時間表示為n的函式。

(1) i=1; k=0

while(i

解答:t(n)=n-1, t(n)=o(n), 這個函式是按線性階遞增的。

(2) x=n; // n>1

while (x>=(y+1)*(y+1))

y++;

解答:t(n)=n1/2 ,t(n)=o(n1/2), 最壞的情況是y=0,那麼迴圈的次數是n1/2次,這是乙個按平方根階遞增的函式。

(3) x=91; y=100;

while(y>0)

if(x>100)

else x++;

解答: t(n)=o(1), 這個程式看起來有點嚇人,總共迴圈執行了1000次,但是我們看到n沒有? 沒。這段程式的執行是和n無關的,就算它再迴圈一萬年,我們也不管他,只是乙個常數階的函式。

3. 常數階o(1)

temp=i;i=j;j=temp;                    

以上三條單個語句的頻度均為1,該程式段的執行時間是乙個與問題規模n無關的常數。演算法的時間複雜度為常數階,記作t(n)=o(1)。如果演算法的執行時 間不隨著問題規模n的增加而增長,即使演算法中有上千條語句,其執行時間也不過是乙個較大的常數。此類演算法的時間複雜度是o(1)。

4.平方階o(n^2)

(1) 交換i和j的內容

sum=0;                 (一次)

for(i=1;i<=n;i++)       (n次 )

for(j=1;j<=n;j++) (n^2次 )

sum++;       (n^2次 )

解:t(n)=2n^2+n+1 =o(n^2)

(2)  

for (i=1;i         

解: 語句1的頻度是n-1

語句2的頻度是(n-1)*(2n+1)=2n^2-n-1

f(n)=2n^2-n-1+(n-1)=2n^2-2

該程式的時間複雜度t(n)=o(n^2).        

5.線性階o(n)     

(1)

a=0;

b=1;                      ①

for (i=2;i<=n;i++) ②

解: 語句1的頻度:2,       

語句2的頻度: n,       

語句3的頻度: n-1,       

語句4的頻度:n-1,   

語句5的頻度:n-1,                                 

t(n)=2+n+3(n-1)=4n-1=o(n).

6.線性對數階o(log2n )

(1)

i=1;       ①

while (i<=n)

i=i*2; ②

解: 語句1的頻度是1, 

設語句2的頻度是f(n),   則:2^f(n)<=n;f(n)<=log2n   

取最大值f(n)= log2n,

t(n)=o(log2n )

o(n^3)

(2)for(i=0;i

}解:當i=m, j=k的時候,內層迴圈的次數為k當i=m時, j 可以取 0,1,...,m-1 , 所以這裡最內迴圈共進行了0+1+...+m-1=(m-1)m/2次所以,i從0取到n, 則迴圈共進行了: 0+(1-1)*1/2+...+(n-1)n/2=n(n+1)(n-1)/6所以時間複雜度為o(n^3).

我們還應該區分演算法的最壞情況的行為和期望行為。如快速排序的最 壞情況執行時間是 o(n^2),但期望時間是 o(nlogn)。通過每次都仔細 地選擇基準值,我們有可能把平方情況 (即o(n^2)情況)的概率減小到幾乎等於 0。在實際中,精心實現的快速排序一般都能以 (o(nlogn)時間執行。

下面是一些常用的記法:

(1)訪問陣列中的元素是常數時間操作,或說o(1)操作。

(2)乙個演算法如 果能在每個步驟去掉一半資料元素,如二分檢索,通常它就取 o(logn)時間。

(3)用strcmp比較兩個具有n個字元的串需要o(n)時間 。

(4)常規的矩陣乘演算法是o(n^3),因為算出每個元素都需要將n對 元素相乘並加到一起,所有元素的個數是n^2。

(5)指數時間演算法通常**於需要求出所有可能結果。例如,n個元 素的集合共有2n個子集,所以要求出所有子集的演算法將是o(2n)的 。指數演算法一般說來是太複雜了,除非n的值非常小,因為,在 這個問題中增加乙個元素就導致執行時間加倍。不幸的是,確實有許多問題 (如著名 的「巡迴售貨員問題」 ),到目前為止找到的演算法都是指數的。如果我們真的遇到這種情況, 通常應該用尋找近似最佳結果的演算法替代之。

(6)有如下複雜度關係經驗規則

c < log2n < n < n * log2n < n^2 < n^3 < 2^n < 3^n < n!

其中c是乙個常量,如果乙個演算法的複雜度為c 、 log2n 、n 、 n*log2n ,那麼這個演算法時間效率比較高 ,如果是 2^n , 3^n ,n!,那麼稍微大一些的n就會令這個演算法不能動了,居於中間的幾個則差強人意。

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