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时间复杂度的表达方式和估算方法

时间复杂度的表达方式和估算方法

作者: pazingaa | 来源:发表于2017-10-19 15:58 被阅读0次

先给结论:

  • 结论1: 时间复杂度是 O(1) 最牛逼, 是 O(n^2) 以及比它效率更优的可以被接受,时间复杂度比 O(n^2) 效率还差的的最好不用。优劣排行情况:
    O(1) < O(lgn) < O(n) < O(nlgn) < O(n^2) < O(n^3) < O(2^n) < O(n!)
  • 结论2: 典型排序算法的优劣和它们的平均表现 ( 更多相关信息可见 http://bigocheatsheet.com/ )
    图0. 常见排序算法时间复杂度总结

算法的基本操作和它的复杂程度:

一段代码,最直白的办法是用分号“;”来划分程序语句的基本操作(不同语言有所区别),然后对每个基本操作分析它运行时的重复次数,称为“频度”。

举个例子:

 // (基本操作1,频度为1) 
 var sum = 0;
 // (基本操作2,i=0的频度为1)
 // (基本操作3,i<n; i++; 的频度为 n)  
 for(var i=0; i<n; i++) { 
     // (基本操作4,j=0的频度为1)
     // (基本操作5,j<n; j++; 的频度为 n^2)   
     for(var j=0; j<n; j++)  {   
         // ( 基本操作6,sum++ 的频度为 n^2)
         sum++;
     }    
 } ; 

这里定义 语句频度 的函数 T(n),是一个关于程序输入规模n的函数,即 T(n)的函数图可以表示随着 n 的值增加, 语句频度 (复杂程度,或者说语句重复次数)的走势。上面例子的 T(n) = 1+1+1+ n + n^2 + n^2 = 3 + n + 2n^2

图1. 输入规模-语句频度 示意图

大O表示法详说:

这里定义当 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))

通常的做法是,将 T(n) 函数表达式做以下处理,忽略常量、低次幂、最高次幂的常数系数,就可以令 f(n) 等于 T(n) 的数量级。举个例子:对于 T(n) = 2n^2 + n + 1 ,则有 O(f(n)) = O(n^2)

在这个例子中, f(n) 是个辅助函数,没有特别具体的规定,但一般都是取尽可能简单的函数,如 O(f(n)) = O(2n^2 + n + 1) = O(3n^2 + n + 3) = O(7n^2 + n) = O ( n^2 ),一般都只用 O(n^2)表示就可以了,这时候
f(n) = n^2,可以扣回定义试试看极限是否是不为零的常数
(注: n-> ∞ , lim[2 + n^(-1) + n^(-2)] = 2)。

基于前文 图1 中语句频度随输入规模n而变化的情况,用大O表示法可以直观地如 图2 所示:

图2. 大O复杂度示意图

举些例子:
时间复杂度为 O(n) 的例子:

   // (基本操作1,频度为1) 
   var sum=0;
   // (基本操作2,i=1的频度为1 )
   // (基本操作3,i<n; i++; 的频度为n )  
    for(var i=0; i<n; i++) {  
        // ( 基本操作4,sum++的频度为n) 
        sum++;     
    } ;

    // (基本操作1,频度为1) 
    var i = 0;
    // (基本操作2,i<n的频度为n)
    while(i < n) { 
         // ( 基本操作3,i++的频度为n) 
         i++;
    } ;

时间复杂度为 O(lgn) 的例子:

    // (基本操作1,频度为1)
    var sum=0;
    // (基本操作2,i=0的频度为1;)
    // (基本操作3,i<n; i = i*2; 的频度为log2n,即以2为底n的对数 )  
    for(var i=0; i<n; i = i*2;) {   
        // ( 基本操作4,sum++的频度为log2n) 
        sum++;                    
    } ;

注:基本操作3的频度设为t,当2^t < n 时,for 循环结束,对式子中小于号左右两端取以2为底数的对数,得到 t < log2n,所以在最坏的情况下,基本操作3会重复执行log2n次。则 T(n) = 1 + 1 + log2n + log2n = 2+2log2n, O(n) = log2n。又因为对数换底公式,loga n和 logb n只有一个常数因子不同,这个常数因子在大O记法中被丢弃,所以 O(n) = log2 n = lgn

时间复杂度为 O(nlgn) 的例子:

     // (基本操作1,频度为1) 
     var num1, num2;  
     // (基本操作2,i=0频度为1)
     // (基本操作3,i<n; i++频度为 n) 
     for(var i=0; i<n; i++){   
         // (基本操作4,频度为 n) 
         num1 += 1;
         // (基本操作5,j=1频度为 n)
         // (基本操作6,j<=n; j*=2频度为 n*log2n) 
         for(var j=1; j<=n; j*=2){  
             num2 += num1; // (基本操作7,频度为 n*log2n) 
         }
     } 

T(n) = 1 + 1 + n + n + nlog2n + nlog2n = 2(1 + n + nlog2n), O(n) = n log2n

时间复杂度为 O(n^2) 的例子: 本文第一个代码块就是。

小结:大O表示法很简单,时间复杂度也不难理解,本人在整个认知过程中在对数复杂度绕不过来弯,其实理解了什么是“频度”以及计算复杂度的初衷就能想明白。最后,给数学不好的我:

for(var j=1; j<n; j *= 2) {
    // inside for-loop
}
对数复杂度怎么算出来的

LaTeX很优雅,值得学习。

参考:
http://blog.csdn.net/zolalad/article/details/11848739
http://univasity.iteye.com/blog/1164707
http://bigocheatsheet.com/

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