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  • 简单算法学习之时间复杂度的计算

    例如

    for(int i=0;i<n;++i)
    {
      for(int j=0;j<m;++j)
        a++; //注意,这里计算一次的时间是1.
    }
    那么上面的这个例子的时间复杂度就是 m*n
    再例如冒泡排序的时间复杂度是N*N;快排的时间复杂度是log(n)

    二、计算方法

    1.一个算法执行所耗费的时间,从理论上是不能算出来的,必须上机运行测试才能知道。但我们不可能也没有必要对每个算法都上机测试,只需知道哪个算法花费的时间多,哪个算法花费的时间少就可以了。并且一个算法花费的时间与算法中语句的执行次数成正比例,哪个算法中语句执行次数多,它花费时间就多。
    一个算法中的语句执行次数称为语句频度或时间频度,记为T(n)。
    2.一般情况下,算法的基本操作重复执行的次数是模块n的某一个函数f(n),因此,算法的时间复杂度记做:T(n)=O(f(n))。随着模块n的增大,算法执行的时间的增长率和f(n)的增长率成正比,所以f(n)越小,算法的时间复杂度越低,算法的效率越高。在计算时间复杂度的时候,先找出算法的基本操作,然后根据相应的各语句确定它的执行次数,再找出T(n)的同数量级(它的同数量级有以下:1,Log2n ,n ,nLog2n ,n的平方,n的三次方,2的n次方,n!),找出后,f(n)=该数量级,若T(n)/f(n)求极限可得到一常数c,则时间复杂度T(n)=O(f(n))。
    3.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)
    三、示例
    (1)O(1)
      Temp=i;
    i=j;
    j=temp;                    
    以上三条单个语句的频度均为1,该程序段的执行时间是一个与问题规模n无关的常数,算法的时间复杂度为常数阶,记作T(n)=O(1)。如果算法的执行时间不随着问题规模n的增加而增长,即使算法中有上千条语句,其执行时间也不过是一个较大的常数。此类算法的时间复杂度是O(1)
    (2)O(n^2)
    2.1 交换i和j的内容
         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)

    2.2.   
        for (i=1;i<n;i++)
        {
            y=y+1;         ①   
             for(j=0;j<=(2*n);j++)    
               x++;        ②      
        }         
    解: 语句1的频度是n-1
              语句2的频度是(n-1)*(2n+1)=2n^2-n-1
              f(n)=2n^2-n-1+(n-1)=2n^2-2
              该程序的时间复杂度T(n)=O(n^2).         

    (3) O(n)      
                                                          
    2.3.
        a=0;
        b=1;              ①
        for(i=1;i<=n;i++) ②
        {  
           s=a+b;    ③
           b=a;     ④  
           a=s;     ⑤
        }
    解:语句1的频度:2,        
        语句2的频度:n,      
        语句3的频度:n-1,        
        语句4的频度:n-1,    
        语句5的频度:n-1,                                  
        T(n)=2+n+3(n-1)=4n-1=O(n).
                                                                                                     
    (4) O(log2n)

    2.4.
         i=1;       ①
         while (i<=n)
            i=i*2; ②
    解: 语句1的频度是1,  
         设语句2的频度是f(n),则:2^f(n)<=n;f(n)<=log2n    
         取最大值f(n)=log2n,
         T(n)=O(log2n )

    (3) O(n^3)
    2.5.
        for(i=0;i<n;i++)
        {  
           for(j=0;j<i;j++)  
           {
              for(k=0;k<j;k++)
                 x=x+2;  
           }
        }
    解:当i=m,j=k的时候,内层循环的次数为k,当i=m时, j可以取 0,1,...,m-1 , 所以这里最内循环共进行了0+1+...+m-1=(m-1)m/2次所以,i从0取到n, 则循环共进行了: 0+(1-1)*1/2+...+(n-1)n/2=n(n+1)(n-1)/6所以时间复杂度为O(n^3).
    我们还应该区分算法的最坏情况的行为和期望行为。如快速排序的最坏情况运行时间是 O(n^2),但期望时间是 O(nlogn)。通过每次都仔细 地选择基准值,我们有可能把平方情况 (即O(n^2)情况)的概率减小到几乎等于 0。在实际中,精心实现的快速排序一般都能以 (O(nlogn)时间运行,下面是一些常用的记法:
    访问数组中的元素是常数时间操作,或说O(1)操作。一个算法如果能在每个步骤去掉一半数据元素,如二分检索,通常它就取 O(logn)时间。用strcmp比较两个具有n个字符的串需要O(n)时间。常规的矩阵乘算法是O(n^3),因为算出每个元素都需要将n对元素相乘并加到一起,所有元素的个数是n^2。
    指数时间算法通常来源于需要求出所有可能结果。例如,n个元素的集合共有2n个子集,所以要求出所有子集的算法将是O(2n)的。指数算法一般说来是太复杂了,除非n的值非常小,因为,在这个问题中增加一个元素就导致运行时间加倍。不幸的是,确实有许多问题 (如著名的“巡回售货员问题” ),到目前为止找到的算法都是指数的。如果我们真的遇到这种情况,通常应该用寻找近似最佳结果的算法替代之。


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