• 算法笔记(七):复杂度分析(一)


    (一)渐进符号(这里暂时只考虑大O)

       以输入规模n为自变量建立的时间复杂度实际上还是较复杂的,例如an2+bn+c,不仅与输入规模有关,还与系数a、b和c有关。此时对该函数进一步抽象,仅考虑运行时间的增长率或称为增长的量级,如忽略上式中的低阶项、高阶项的系数,仅考虑n2。当输入规模大到只与运行时间的增长量级有关的时,就是在研究算法的渐进效率。也就是说,从极限角度看,只关心算法运行时间如何随着输入规模的无限增长而增长。

        大O记号的定义为:给定一个函数g(n),O(g(n)) = {f(n):存在正常数c和n0,使得对所有n>=n0,有0<=f(n)<=cg(n)}.O(g(n))表示一个函数集合,往往用该记号给出一个算法运行时间的渐进上届。

     判断下面各式是否成立:

     10n2+4n+2 = O(n2)      --------  成立

    10n2+4n+2 = O(n)       --------  不成立

    (二)示例

     1、下面这段代码

    1 def F(n):
    2     sum = 0
    3     i = 0
    4     j = 1
    5     sun = i + j
    6     return sum

    上面这段代码的时间复杂度就是O(1),O(1)表示算法的执行时间总是常量(即1、2、3、4、5....10000行代码的的执行时间都是 O(1),只要代码的执行次数是常量,它的复杂度就是 O(1))

    2、下面这段代码

    1 def F(n):
    2     sum = 0
    3     for i in range(1,n+1):
    4         sum = sum+i
    5     return sum

      假设第2行代码的执行时间是1,那么3、4行代码都执行了N遍(1、2、3....n),所以代码的执行时间是2n,代码的总执行时间就是2n+1,根据前面的说明,在大O表示法中,我们可以忽略掉公式中的常量、低阶项、高阶项的系数,所以代码的复杂度就是O(n)

    3、 再看下面这段代码:

    1 def F(n):
    2     sum = 0
    3     for i in range(1,n+1):
    4         for j in range(1,n+1):
    5             sum = sum+i*j
    6     return sum

    假设第二行代码执行时间是1,第3行执行时间是n,第4、5行的执行次数都是n2,所以执行时间是2n2。所以代码总的执行时间是T(N) = 1+n+2n2,同理,这段代码的时间复杂度是O(n2)

    (三)总结下

    总结一下,我们这里遇到下面三种情况

    1、O(1)   -----常量阶

     O(1)表示算法的执行时间总是常量(即1、2、3、4、5....10000行代码的的执行时间都是 O(1),只要代码的执行次数是确定的,它的执行次数就是 O(1))

    2、O(n)   -----线性阶

    O(n)表示一个算法的性能会随着输入数据n的大小变化而线性变化

    3、O(n2)  ----平方阶 

    O(n2)表示一个算法的性能将会随着输入数据n的增长而呈现出二次增长

    另外还有2个没有说的就是对数(O(logN))和非多项式,非多项式这里不考虑,对数阶算法复杂度分析,下篇说明。

    (四)分析插入排序、简单选择排序的算法复杂度

    1、插入排序

     1 #插入排序
     2 def insertSort(A):
     3     for i in range(len(A)):
     4         key = A[i]
     5         j = i -1
     6         while A[j] > key and j >=0:
     7             A[j+1] = A[j]
     8             j -= 1
     9         A[j+1] = key
    10     return A

           (1)假设第3行代码的执行次数是n,那么4、5、9行代码的执行次数也是n,总共4n。

           (2)第6、7、8行的执行次数就是n2(最坏的情况),总共是3n2

             (3)所以算法的执行次数为 4n+3n2,即时间复杂度为O(n2)

    2、简单选择排序

     1 def selectSort(A):
     2     #迭代列表的前n-1个元素
     3     for i in range(len(A)-1):
     4         k = i
     5         for j in range(i+1,len(A)):
     6             if A[k] > A[j]:
     7                 k = j  #更新最小值的索引
     8         #如果A[i]不是最小值,交换A[i],A[k]的值
     9         if k != i:
    10             A[k],A[i] = A[i],A[k]
    11     return A

    一样的道理,我们只需要关注代码执行次数最多的那段代码就行了,即第5行代码(n2),所以算法的时间复杂度也是O(n2)

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