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  • 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)

     

    --------------------------------------------------------------------------------
    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)

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