时间复杂度
基本的计算步骤
时间复杂度的定义
一般情况下,算法中基本操作重复执行的次数是问题规模n的某个函数,用T(n)表示,若有某个辅助函数f(n),使得当n趋近于无穷大时,T(n)/f(n)的极限值为不等于零的常数,则称f(n)是T(n)的同数量级函数。记作T(n)=O(f(n)),称O(f(n))为算法的渐进时间复杂度(O是数量级的符号 ),简称时间复杂度。
根据定义,可以归纳出基本的计算步骤
1. 计算出基本操作的执行次数T(n)
基本操作即算法中的每条语句(以;号作为分割),语句的执行次数也叫做语句的频度。在做算法分析时,一般默认为考虑最坏的情况。
2. 计算出T(n)的数量级
求T(n)的数量级,只要将T(n)进行如下一些操作:
忽略常量、低次幂和最高次幂的系数
令f(n)=T(n)的数量级。
3. 用大O来表示时间复杂度
当n趋近于无穷大时,如果lim(T(n)/f(n))的值为不等于0的常数,则称f(n)是T(n)的同数量级函数。记作T(n)=O(f(n))。
一个示例:
(1) int num1, num2;
(2) for(int i=0; i<n; i++){
(3) num1 += 1;
(4) for(int j=1; j<=n; j*=2){
(5) num2 += num1;
(6) }
(7) }
分析:
1.
语句int num1, num2;的频度为1;
语句i=0;的频度为1;
语句i<n; i++; num1+=1; j=1; 的频度为n;
语句j<=n; j*=2; num2+=num1;的频度为n*log2n;
T(n) = 2 + 4n + 3n*log2n
2.
忽略掉T(n)中的常量、低次幂和最高次幂的系数
f(n) = n*log2n
3.
lim(T(n)/f(n)) = (2+4n+3n*log2n) / (n*log2n)
= 2*(1/n)*(1/log2n) + 4*(1/log2n) + 3
当n趋向于无穷大,1/n趋向于0,1/log2n趋向于0
所以极限等于3。
T(n) = O(n*log2n)
简化的计算步骤
再来分析一下,可以看出,决定算法复杂度的是执行次数最多的语句,这里是num2 += num1,一般也是最内循环的语句。
并且,通常将求解极限是否为常量也省略掉?
于是,以上步骤可以简化为:
1. 找到执行次数最多的语句
2. 计算语句执行次数的数量级
3. 用大O来表示结果
继续以上述算法为例,进行分析:
1.
执行次数最多的语句为num2 += num1
2.
T(n) = n*log2n
f(n) = n*log2n
3.
// lim(T(n)/f(n)) = 1
T(n) = O(n*log2n)
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一些补充说明
最坏时间复杂度
算法的时间复杂度不仅与语句频度有关,还与问题规模及输入实例中各元素的取值有关。一般不特别说明,讨论的时间复杂度均是最坏情况下的时间复杂度。这就保证了算法的运行时间不会比任何更长。
求数量级
即求对数值(log),默认底数为10,简单来说就是“一个数用标准科学计数法表示后,10的指数”。例如,5000=5x10 3 (log5000=3) ,数量级为3。另外,一个未知数的数量级为其最接近的数量级,即最大可能的数量级。
求极限的技巧
要利用好1/n。当n趋于无穷大时,1/n趋向于0
常见的时间复杂度
按数量级递增排列,常见的时间复杂度有:
常数阶O(1), 对数阶O(log2n), 线性阶O(n), 线性对数阶O(nlog2n), 平方阶O(n^2), 立方阶O(n^3),..., k次方阶O(n^k), 指数阶O(2^n) 。
其中,
1.O(n),O(n^2), 立方阶O(n^3),..., k次方阶O(n^k) 为多项式阶时间复杂度,分别称为一阶时间复杂度,二阶时间复杂度。。。。
2.O(2^n),指数阶时间复杂度,该种不实用
3.对数阶O(log2n), 线性对数阶O(nlog2n),除了常数阶以外,该种效率最高
例:算法:
for(i=1;i<=n;++i)
{
for(j=1;j<=n;++j)
{
c[ i ][ j ]=0; //该步骤属于基本操作 执行次数:n^2
for(k=1;k<=n;++k)
c[ i ][ j ]+=a[ i ][ k ]*b[ k ][ j ]; //该步骤属于基本操作 执行次数:n^3
}
}
则有 T(n)= n^2+n^3,根据上面括号里的同数量级,我们可以确定 n^3为T(n)的同数量级
则有f(n)= n^3,然后根据T(n)/f(n)求极限可得到常数c
则该算法的 时间复杂度:T(n)=O(n^3)