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  • 算法时间复杂度计算

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    名词解释:

        在计算机科学中,时间复杂性,又称时间复杂度,算法的时间复杂度是一个函数,它定性描述该算法的运行时间。这是一个代表算法输入值的字符串的长度的函数。
        时间复杂度常用大O符号表述,不包括这个函数的低阶项和首项系数。使用这种方式时,时间复杂度可被称为是渐近的,亦即考察输入值大小趋近无穷时的情况。

    时间复杂度的表示方法

    其实就是算法(代码)的执行效率,算法代码的执行时间。我们来看下面一个简单的代码:

     1 int sumFunc(int n) {
     2 
     3 int num = 0; // 执行一次
     4 
     5 for (int i = 1; i <= n; ++i) { // 执行n次
     6 
     7 num = num + i; // 执行n次
     8 
     9 }
    10 
    11 return num;
    12 
    13 }

    假设,每行代码的执行时间为t,那么这块代码的时间就是(2n+2)*t

    由此得出:代码执行时间T(n)与代码的执行次数是成正比的!

    那么我们来看下一个例子:

     1 int sumFunc(int n) {
     2 
     3 int num = 0; // 执行一次
     4 
     5 for (int i = 1; i <= n; ++i) { // 执行n次
     6 
     7 for (int j = 1; j <= n; ++j) { //执行n*n次
     8 
     9 num = num + i * j; // 执行n*n次
    10 
    11 }
    12 
    13 }
    14 
    15 }

    同理,该代码执行时间为(2n*n+n+1)*t,没意见吧?继续往后看!

    注意:在数据结构/算法中,通常使用T(n)表示代码执行时间,n表示数据规模大小,f(n)表示代码执行次数综合,所以上面这个例子可以表示为f(n)=(2n*n+n+1)*t,其实就是一个求总和的式子,O(大写O)表示代码执行时间与f(n) 成正比例。

    根据上面两个例子得出结论:代码的执行时间 T(n)与每行代码的执行次数 n 成正比,人们把这个规律总结成这么一个公式:T(n) = O(f(n))

    所以呢,第一个例子中的 T(n)=O(2n+1),第二个例子中的 T(n)=O(2n*n+n+1),这就是时间复杂度表示法,也叫大O时间复杂度表示法。

    但是,大O时间复杂度并不具体表示代码真正的执行时间,而是表示代码执行时间随数据规模增长的变化趋势,所以,也叫作渐进时间复杂度,简称时间复杂度。

    与泰勒公式相反的是,算了,扯哪去了…

    当n变得越来越大时,公式中的低阶,常量,系数三部分影响不了其增长趋势,所以可以直接忽略他们,只记录一个最大的量级就可以了,所以上述两个例子实际他们的时间复杂度应该记为:T(n)=O(n) ,T(n)=O(n*n)

    我想你应该明白大致是怎么回事了,那么我们来看看如何去计算它?

    时间复杂度的分析与计算方法

    (1)循环次数最多原则

    我们上面说过了,当n变得越来越大时,公式中的低阶,常量,系数三部分影响不了其增长趋势,可以直接忽略他们,只记录一个最大的量级就可以了。因此我们在计算时间复杂度时,只需关注循环次数最多的那段代码即可。

     1 int sumFunc(int n) {
     2 
     3 int sum = 0; //执行1次,忽略不计
     4 
     5 for (int i = 0; i < n; i++) {
     6 
     7 sum += i; // 循环内执行次数最多,执行次数为n次,因此时间复杂度记为O(n)
     8 
     9 }
    10 
    11 return sum; //执行1次,忽略不计
    12 
    13 }

    (2)加法原则

     1 int sumFunc(int n) {
     2 
     3 int sum = 0; //常量级,忽略
     4 
     5 for (int i = 0; i < 99; i++) {
     6 
     7 sum += i; //执行100次,还是常量级,忽略
     8 
     9 }
    10 
    11 for (int i = 0; i < n; i++) {
    12 
    13 sum += i; //执行n次
    14 
    15 }
    16 
    17 for (int i = 0; i < n; i++){
    18 
    19 for (int j = 0; j < n; j++) {
    20 
    21 sum += i; //执行n*n次
    22 
    23 }
    24 
    25 }
    26 
    27 return sum;
    28 
    29 }

    上述例子中,最大的两块代码时间复杂度分别为 O(n)和O(n*n),其结果本应该是:T(n)=O(n)+O(n*n),我们取其中最大的量级,因此整段代码的复杂度为:O(n * n)

    所以得出结论:量级最大的那段代码时间复杂度=总的时间复杂度

    (3)乘法原则

    嵌套代码的复杂度等于嵌套内外代码复杂度的乘积

     1 void Func1(int n) {
     2 
     3 for (int i = 0; i < n; i++) {
     4 
     5 Func2(n); //执行n次,每次都会调用Func2函数执行n次
     6 
     7 }
     8 
     9 }
    10 
    11 void Func2(int n) {
    12 
    13 int sum = 0;
    14 
    15 for (int i = 0; i < n; i++)
    16 
    17 {
    18 
    19 sum += 1; //执行n次
    20 
    21 }
    22 
    23 }

    因此这段代码时间复杂度为O(n) * O(n) = O(n*n) = O(n*n)

    同理,如果将其中一个n换成m,那么它的时间复杂度就是O(n*m)

    常见的几种时间复杂度

    (1)O(1)常量级时间复杂度

     1 void Func(void) {
     2 
     3 for (int i = 0; i < 100; i++) {
     4 
     5 printf("hello"); //执行一百次,也是常量级,记为O(1)
     6 
     7 }
     8 
     9 }
    10 
    11 void Func(void) {
    12 
    13 printf("hello");
    14 
    15 printf("hello");
    16 
    17 printf("hello");
    18 
    19 //各执行一次,还是记为O(1)
    20 
    21 }

    相信你也看明白了,O(1)不是说代码只有一行,这个1它代表的是一个常量,即使它有以前一万行这样的也是O(1),因为它是固定的不会变化(也就是常量),所以凡是常量级复杂度代码,均记为O(1)

    (2)常见的O(n)复杂度

    1 void Func(int n) {
    2 
    3 for (int i = 0; i < n; i++) {
    4 
    5 printf("hello");
    6 
    7 }
    8 
    9 }

    不用多说了吧!继续!

    (3)O(logn),O(nlogn) ,这就有点难度了!

    首先我们来回忆以下换底公式:

    记住公式啊,来看例子:

    1 void Func(int n) {
    2 
    3 for (int i = 1; i < n; i++) {
    4 
    5 i = i * 2;
    6 
    7 }
    8 
    9 }

    可以看出,i = i * 2这行代码执行次数是最多的,那么到底执行了多少次呢?

    第一次 i=2,执行第二次 i=4,执行第三次 i=8…

    假设它执行了x次,那么x的取值为:

    当上述代码的2改成3的时候,x的取值也就是:

    当然不管log的底数是几,是e也好,是10也罢,统统记为:

    这是为啥子念?由换底公式可以计算出:

    换底之后,可以看出log3(2)其实就是一个常数,忽略它!而在这场游戏中,log默认就是以2为底的,所以统统记为O(logn)。

     1 void Func(int n) {
     2 
     3 for (int i = 0; i < n; i++) {
     4 
     5 Func2(n); //执行n次,嵌套调用,每次调用执行logn次
     6 
     7 }
     8 
     9 }
    10 
    11 void Func2(int n) {
    12 
    13 for (int i = 0; i < n; i++)
    14 
    15 {
    16 
    17 i = i * 2; //执行logn次
    18 
    19 }
    20 
    21 }

    所以这个O(nlogn)也很好理解了吧!

    其他就不赘述了,相信聪明的你一定可以举一反三!

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