算法时间复杂度
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在进行算法分析时,语句总的执行次数T(n)是关于问题规模n的函数,进而分析T(n)随n的变化情况并确定T(n)的数量级。算法的时间复杂度,也就是算法的时间量度,基座T(n)=O(f(n))。它表示随问题规模n的增大,算法执行时间的增长率和f(n)的增长率相同,称作算法的渐进算法时间复杂度,简称为时间复杂度。其中f(n)是问题规模n的某个函数。
一般用大写O()来表示算法的时间复杂度写法,通常叫做大O记法。
一般情况下,随着n的增大,T(n)增长最慢的算法为最优算法。
O(1):常数阶
O(n):线性阶
O(n2):平方阶
大O推导法:
用常数1取代运行时间中的所有加法常数
在修改后的运行函数中,只保留最高阶项
如果最高阶项存在且不是1,则去除与这个项相乘的常数
常数阶:
int sum = 0 ; n = 100; /*执行一次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行一次*/
printf("%d",sum); /*执行一次*/
这个算法的运行次数f(n) = 3,根据推导大O阶的方法,第一步是将3改为1,在保留最高阶项是,它没有最高阶项,因此这个算法的时间复杂度为O(1);
另外,
int sum = 0 ; n = 100; /*执行一次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第1次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第2次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第3次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第4次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第5次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第6次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第7次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第8次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第9次*/
sum = (1+n)*n/2; /*执行第10次*/
printf("%d",sum); /*执行一次*/
上面的两段代码中,其实无论n有多少个,本质是是3次和12次的执行差异。这种与问题的大小无关,执行时间恒定的算法,成为具有O(1)的时间复杂度,又叫做常数阶。
注意:不管这个常数是多少,3或12,都不能写成O(3)、O(12),而都要写成O(1)
此外,对于分支结构而言,无论真假执行的次数都是恒定不变的,不会随着n的变大而发生变化,所以单纯的分支结构(不在循环结构中),其时间复杂度也是O(1)。
线性阶:
线性阶的循环结构会复杂一些,要确定某个算法的阶次,需要确定特定语句或某个语句集运行的次数。因此要分析算法的复杂度,关键是要分析循环结构的运行情况。
int i;
for(i = 0 ; i < n ; i++){
/*时间复杂度为O(1)的程序*/
}
对数阶:
int count = 1;
while(count < n){
count = count * 2;
/*时间复杂度为O(1)的程序*/
}
因为每次count*2后,距离结束循环更近了。也就是说有多少个2 相乘后大于n,退出循环。
数学公式:2^x = n --> x = log2n
因此这个循环的时间复杂度为O(logn)
平方阶:
int i;
for(i = 0 ; i < n ; i++){
for(j = 0 ; j < n ; j++){
/*时间复杂度为O(1)的程序*/
}
}
上面的程序中,对于对于内层循环,它的时间复杂度为O(n),但是它是包含在外层循环中,再循环n次,因此这段代码的时间复杂度为O(n2)。
int i;
for(i = 0 ; i < n ; i++){
for(j = 0 ; j < m ; j++){
/*时间复杂度为O(1)的程序*/
}
}
但是,如果内层循环改成了m次,时间复杂度就为O(n*m)
再来看一段程序:
int i;
for(i = 0 ; i < n ; i++){
for(j = i ; j < n ; j++){
/*时间复杂度为O(1)的程序*/
}
}
注意:上面的内层循环j = i ;而不是0
因为i = 0时,内层循环执行了n次,当i=1时,执行了n-1次……当i=n-1时,执行了1次,所以总的执行次数为:
n+(n-1)+(n-1)+...+1 = n(n+1)/2 = n2/2 + n/2
根据大O推导方法,保留最高阶项,n2/2 ,然后去掉这个项相乘的常数,1/2
因此,这段代码的时间复杂度为O(n2)
下面,分析调用函数时的时间复杂度计算方法:
首先,看一段代码:
int i,j;
void function(int count){
print(count);
}
for(i = 0 ; i < n ; i++){
function (i)
}
函数的时间复杂度是O(1),因此整体的时间复杂度为O(n)。
假如function是这样的:
void function(int count){
int j;
for(j = count ; j < n ;j++){
/*时间复杂度为O(1)的程序*/
}
}
和第一个的不同之处在于把嵌套内循环放到了函数中,因此最终的时间复杂度为O(n2)
再来看一个比价复杂的语句:
n++; /*执行次数为1*/
function(n); /*执行次数为n*/
int i,j;
for(i = 0 ; i < n ; i++){ /*执行次数为nXn*/
function(i);
}
for(i = 0 ; i < n ; i++){ /*执行次数为n(n+1)/2*/
for(j = i ; j < n ; j++){
/*时间复杂度为O(1)的程序*/
}
}
它的执行次数f(n) = 1 + n + n2 + n(n+1)/2 + 3/2n2+3/2 n+1,
根据推导大O阶的方法,最终它的时间复杂度为:O(n2)
常见的时间复杂度:
执行次数函数 | 阶 | 术语描述 |
---|---|---|
12 | O(1) | 常数阶 |
2n+3 | O(n) | 线性阶 |
$3n^2+2n+1$ | O($n^2$) | 平方阶 |
$5log_2 n+20$ | O($\log_2 10$) | 对数阶 |
$2n+3nlog_2 n+19$ | O(nlogn) | nlog2n阶 |
2n+3nlog2n+19 | O(n3) | 立方阶 |
2n | O(2n) | 指数阶 |
时间复杂度所耗费的时间是:
O(1) < O(logn) < O(n) < O(nlogn) < O(n2) < O(n3) <O(2n) < O(n!) <O(nn)