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编程问答

数据结构与算法之时间复杂度详解

發布時間:2024/2/28 编程问答 29 豆豆
生活随笔 收集整理的這篇文章主要介紹了 数据结构与算法之时间复杂度详解 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

數據結構與算法之時間復雜度詳解


目錄

  • 排序算法的介紹和分類
  • 算法的時間復雜度概念
  • 常見的時間復雜度解析
  • 平均時間復雜度和最壞時間復雜度
  • 空間復雜度介紹

  • 1. 排序算法的介紹和分類

  • 排序算法的介紹
    排序也稱排序算法(SortAlgorithm),排序是將一組數據,依指定的順序進行排列的過程。

  • 排序的分類:

  • 內部排序:
    指將需要處理的所有數據都加載到內部存儲器(內存)中進行排序。
  • 外部排序法:
    數據量過大,無法全部加載到內存中,需要借助外部存儲(文件等)進行排序。
  • 常見的排序算法分類(見下圖):

  • 2. 算法的時間復雜度概念

    1. 度量一個程序(算法)執行時間的兩種方法
    1. 事后統計的方法

    這種方法可行, 但是有兩個問題:一是要想對設計的算法的運行性能進行評測,需要實際運行該程序;二是所得時間的統計量依賴于計算機的硬件、軟件等環境因素, 這種方式,要在同一臺計算機的相同狀態下運行,才能比較那個算法速度更快。

    2. 事前估算的方法

    通過分析某個算法的時間復雜度來判斷哪個算法更優。


    2. 時間頻率
  • 基本介紹
    時間頻度:一個算法花費的時間與算法中語句的執行次數成正比例,哪個算法中語句執行次數多,它花費時間就多。一個算法中的語句執行次數稱為語句頻度或時間頻度。記為T(n)。
  • 舉例
    比如計算1-100所有數字之和, 我們設計兩種算法:
  • 時間頻率之忽略常數項

    結論:
  • 2n+20 和 2n 隨著n 變大,執行曲線無限接近, 20可以忽略
  • 3n+10 和 3n 隨著n 變大,執行曲線無限接近, 10可以忽略
  • 時間頻率之忽略低次項

    結論:
  • 2n^2+3n+10 和 2n^2 隨著n 變大, 執行曲線無限接近, 可以忽略 3n+10
  • n^2+5n+20 和 n^2 隨著n 變大,執行曲線無限接近, 可以忽略 5n+20
  • 時間頻率之忽略系數
  • 結論:

  • 隨著n值變大,5n^2+7n 和 3n^2 + 2n ,執行曲線重合, 說明 這種情況下, 5和3可以忽略。
  • 而n^3+5n 和 6n^3+4n ,執行曲線分離,說明多少次方式關鍵
  • 3. 時間復雜度
  • 一般情況下,算法中的基本操作語句的重復執行次數是問題規模n的某個函數,用T(n)表示,若有某個輔助函數f(n),使得當n趨近于無窮大時,T(n) / f(n) 的極限值為不等于零的常數,則稱f(n)是T(n)的同數量級函數。記作 T(n)=O( f(n) ),稱O( f(n) ) 為算法的漸進時間復度,簡稱時間復雜度。

  • T(n) 不同,但時間復雜度可能相同。 如:T(n)=n2+7n+6 與 T(n)=3n2+2n+2 它們的T(n) 不同,但時間復雜度相同,都為O(n2)。

  • 計算時間復雜度的方法:

    • 用常數1代替運行時間中的所有加法常數 T(n)=n2+7n+6 => T(n)=n2+7n+1
    • 修改后的運行次數函數中,只保留最高階項 T(n)=n2+7n+1 => T(n) = n2
    • 去除最高階項的系數 T(n) = n2 => T(n) = n2 => O(n2)

  • 3. 常見的時間復雜度解析

  • 常數階O(1)
  • 對數階O(log2n)
  • 線性階O(n)
  • 線性對數階O(nlog2n)
  • 平方階O(n^2)
  • 立方階O(n^3)
  • k次方階O(n^k)
  • 指數階O(2^n)
  • 說明:

  • 常見的算法時間復雜度由小到大依次為:Ο(1)<Ο(log2n)<Ο(n)<Ο(nlog2n)<Ο(n2)<Ο(n3)< Ο(nk) <Ο(2n) ,隨著問題規模n的不斷增大,上述時間復雜度不斷增大,算法的執行效率越低
  • 從下圖中可見,我們應該盡可能避免使用指數階的算法
  • 常見時間復雜度詳解
  • 常數階O(1)
    無論代碼執行了多少行,只要是沒有循環等復雜結構,那這個代碼的時間復雜度就都是O(1)

    上述代碼在執行的時候,它消耗的時候并不隨著某個變量的增長而增長,那么無論這類代碼有多長,即使有幾萬幾十萬行,都可以用O(1)來表示它的時間復雜度。

  • 對數階O(log2n)

    說明:在while循環里面,每次都將 i 乘以 2,乘完之后,i 距離 n 就越來越近了。假設循環x次之后,i 就大于 2 了,此時這個循環就退出了,也就是說 2 的 x 次方等于 n,那么 x = log2n也就是說當循環 log2n 次以后,這個代碼就結束了。因此這個代碼的時間復雜度為:O(log2n) 。 O(log2n) 的這個2 時間上是根據代碼變化的,i = i * 3 ,則是 O(log3n)

  • 線性階O(n)

    說明:這段代碼,for循環里面的代碼會執行n遍,因此它消耗的時間是隨著n的變化而變化的,因此這類代碼都可以用O(n)來表示它的時間復雜度

  • 線性對數階O(nlogN)

    說明:線性對數階O(nlogN) 其實非常容易理解,將時間復雜度為O(logn)的代碼循環N遍的話,那么它的時間復雜度就是 n * O(logN),也就是了O(nlogN)

  • 平方階O(n2)

    說明:平方階O(n2) 就更容易理解了,如果把 O(n) 的代碼再嵌套循環一遍,它的時間復雜度就是 O(n2),這段代碼其實就是嵌套了2層n循環,它的時間復雜度就是 O(nn),即 O(n2) 如果將其中一層循環的n改成m,那它的時間復雜度就變成了 O(mn)


  • 平均時間復雜度和最壞時間復雜度

  • 平均時間復雜度是指所有可能的輸入實例均以等概率出現的情況下,該算法的運行時間。

  • 最壞情況下的時間復雜度稱最壞時間復雜度。一般討論的時間復雜度均是最壞情況下的時間復雜度。 這樣做的原因是:最壞情況下的時間復雜度是算法在任何輸入實例上運行時間的界限,這就保證了算法的運行時間不會比最壞情況更長。

  • 平均時間復雜度和最壞時間復雜度是否一致,和算法有關(如圖)。


  • 5. 空間復雜度介紹

  • 類似于時間復雜度的討論,一個算法的空間復雜度(Space Complexity)定義為該算法所耗費的存儲空間,它也是問題規模n的函數。
  • 空間復雜度(Space Complexity)是對一個算法在運行過程中臨時占用存儲空間大小的量度。有的算法需要占用的臨時工作單元數與解決問題的規模n有關,它隨著n的增大而增大,當n較大時,將占用較多的存儲單元,例如快速排序和歸并排序算法就屬于這種情況
  • 在做算法分析時,主要討論的是時間復雜度。從用戶使用體驗上看,更看重的程序執行的速度。一些緩存產品(redis, memcache)和算法(基數排序)本質就是用空間換時間.
  • 總結

    以上是生活随笔為你收集整理的数据结构与算法之时间复杂度详解的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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