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@ -1,14 +1,12 @@
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# 时间复杂度
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## 统计算法运行时间
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运行时间可以直观且准确地反映算法的效率。然而,如果我们想要准确预估一段代码的运行时间,应该如何操作呢?
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运行时间可以直观且准确地反映算法的效率。如果我们想要准确预估一段代码的运行时间,应该如何操作呢?
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1. **确定运行平台**,包括硬件配置、编程语言、系统环境等,这些因素都会影响代码的运行效率。
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2. **评估各种计算操作所需的运行时间**,例如加法操作 `+` 需要 1 ns,乘法操作 `*` 需要 10 ns,打印操作需要 5 ns 等。
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3. **统计代码中所有的计算操作**,并将所有操作的执行时间求和,从而得到运行时间。
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例如以下代码,输入数据大小为 $n$ ,根据以上方法,可以得到算法运行时间为 $6n + 12$ ns 。
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例如以下代码,输入数据大小为 $n$ 。根据以上方法,可以得到算法运行时间为 $6n + 12$ ns 。
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$$
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1 + 1 + 10 + (1 + 5) \times n = 6n + 12
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@ -183,17 +181,13 @@ $$
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}
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然而实际上,**统计算法的运行时间既不合理也不现实**。首先,我们不希望预估时间和运行平台绑定,因为算法需要在各种不同的平台上运行。其次,我们很难获知每种操作的运行时间,这给预估过程带来了极大的难度。
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但实际上,**统计算法的运行时间既不合理也不现实**。首先,我们不希望预估时间和运行平台绑定,因为算法需要在各种不同的平台上运行。其次,我们很难获知每种操作的运行时间,这给预估过程带来了极大的难度。
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## 统计时间增长趋势
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「时间复杂度分析」采取了一种不同的方法,其统计的不是算法运行时间,**而是算法运行时间随着数据量变大时的增长趋势**。
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“时间增长趋势”这个概念较为抽象,我们通过一个例子来加以理解。假设输入数据大小为 $n$ ,给定三个算法 `A` , `B` , `C` 。
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- 算法 `A` 只有 $1$ 个打印操作,算法运行时间不随着 $n$ 增大而增长。我们称此算法的时间复杂度为「常数阶」。
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- 算法 `B` 中的打印操作需要循环 $n$ 次,算法运行时间随着 $n$ 增大呈线性增长。此算法的时间复杂度被称为「线性阶」。
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- 算法 `C` 中的打印操作需要循环 $1000000$ 次,但运行时间仍与输入数据大小 $n$ 无关。因此 `C` 的时间复杂度和 `A` 相同,仍为「常数阶」。
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“时间增长趋势”这个概念比较抽象,我们通过一个例子来加以理解。假设输入数据大小为 $n$ ,给定三个算法函数 `A` , `B` , `C` 。
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=== "Java"
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@ -430,23 +424,25 @@ $$
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```
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算法 `A` 只有 $1$ 个打印操作,算法运行时间不随着 $n$ 增大而增长。我们称此算法的时间复杂度为「常数阶」。
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算法 `B` 中的打印操作需要循环 $n$ 次,算法运行时间随着 $n$ 增大呈线性增长。此算法的时间复杂度被称为「线性阶」。
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算法 `C` 中的打印操作需要循环 $1000000$ 次,虽然运行时间很长,但它与输入数据大小 $n$ 无关。因此 `C` 的时间复杂度和 `A` 相同,仍为「常数阶」。
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![算法 A, B, C 的时间增长趋势](time_complexity.assets/time_complexity_simple_example.png)
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相较于直接统计算法运行时间,时间复杂度分析有哪些优势和局限性呢?
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相较于直接统计算法运行时间,时间复杂度分析有哪些特点呢?
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**时间复杂度能够有效评估算法效率**。例如,算法 `B` 的运行时间呈线性增长,在 $n > 1$ 时比算法 `A` 慢,在 $n > 1000000$ 时比算法 `C` 慢。事实上,只要输入数据大小 $n$ 足够大,复杂度为「常数阶」的算法一定优于「线性阶」的算法,这正是时间增长趋势所表达的含义。
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**时间复杂度能够有效评估算法效率**。例如,算法 `B` 的运行时间呈线性增长,在 $n > 1$ 时比算法 `A` 更慢,在 $n > 1000000$ 时比算法 `C` 更慢。事实上,只要输入数据大小 $n$ 足够大,复杂度为“常数阶”的算法一定优于“线性阶”的算法,这正是时间增长趋势所表达的含义。
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**时间复杂度的推算方法更简便**。显然,运行平台和计算操作类型都与算法运行时间的增长趋势无关。因此在时间复杂度分析中,我们可以简单地将所有计算操作的执行时间视为相同的“单位时间”,从而将“计算操作的运行时间的统计”简化为“计算操作的数量的统计”,这样的简化方法大大降低了估算难度。
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**时间复杂度的推算方法更简便**。显然,运行平台和计算操作类型都与算法运行时间的增长趋势无关。因此在时间复杂度分析中,我们可以简单地将所有计算操作的执行时间视为相同的“单位时间”,从而将“计算操作的运行时间的统计”简化为“计算操作的数量的统计”,这样以来估算难度就大大降低了。
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**时间复杂度也存在一定的局限性**。例如,尽管算法 `A` 和 `C` 的时间复杂度相同,但实际运行时间差别很大。同样,尽管算法 `B` 的时间复杂度比 `C` 高,但在输入数据大小 $n$ 较小时,算法 `B` 明显优于算法 `C` 。在这些情况下,我们很难仅凭时间复杂度判断算法效率高低。当然,尽管存在上述问题,复杂度分析仍然是评判算法效率最有效且常用的方法。
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## 函数渐近上界
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设算法的计算操作数量是一个关于输入数据大小 $n$ 的函数,记为 $T(n)$ ,则以下算法的操作数量为
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$$
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T(n) = 3 + 2n
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$$
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给定一个函数 `algorithm()` :
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=== "Java"
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@ -607,11 +603,17 @@ $$
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```
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$T(n)$ 是一次函数,说明时间增长趋势是线性的,因此可以得出时间复杂度是线性阶。
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设算法的计算操作数量是一个关于输入数据大小 $n$ 的函数,记为 $T(n)$ ,则以上函数的的操作数量为:
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$$
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T(n) = 3 + 2n
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$$
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$T(n)$ 是一次函数,说明时间的增长趋势是线性的,因此其时间复杂度是线性阶。
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我们将线性阶的时间复杂度记为 $O(n)$ ,这个数学符号称为「大 $O$ 记号 Big-$O$ Notation」,表示函数 $T(n)$ 的「渐近上界 Asymptotic Upper Bound」。
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推算时间复杂度本质上是计算“操作数量函数 $T(n)$”的渐近上界。接下来,我们来看函数渐近上界的数学定义。
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时间复杂度分析本质上是计算“操作数量函数 $T(n)$”的渐近上界。接下来,我们来看函数渐近上界的数学定义。
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!!! abstract "函数渐近上界"
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@ -626,7 +628,7 @@ $T(n)$ 是一次函数,说明时间增长趋势是线性的,因此可以得
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![函数的渐近上界](time_complexity.assets/asymptotic_upper_bound.png)
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从本质上讲,计算渐近上界就是寻找一个函数 $f(n)$ ,使得当 $n$ 趋向于无穷大时,$T(n)$ 和 $f(n)$ 处于相同的增长级别,仅相差一个常数项 $c$ 的倍数。
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也就是说,计算渐近上界就是寻找一个函数 $f(n)$ ,使得当 $n$ 趋向于无穷大时,$T(n)$ 和 $f(n)$ 处于相同的增长级别,仅相差一个常数项 $c$ 的倍数。
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## 推算方法
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@ -638,11 +640,11 @@ $T(n)$ 是一次函数,说明时间增长趋势是线性的,因此可以得
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针对代码,逐行从上到下计算即可。然而,由于上述 $c \cdot f(n)$ 中的常数项 $c$ 可以取任意大小,**因此操作数量 $T(n)$ 中的各种系数、常数项都可以被忽略**。根据此原则,可以总结出以下计数简化技巧:
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1. **忽略与 $n$ 无关的操作**。因为它们都是 $T(n)$ 中的常数项,对时间复杂度不产生影响。
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1. **忽略 $T(n)$ 中的常数项**。因为它们都与 $n$ 无关,所以对时间复杂度不产生影响。
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2. **省略所有系数**。例如,循环 $2n$ 次、$5n + 1$ 次等,都可以简化记为 $n$ 次,因为 $n$ 前面的系数对时间复杂度没有影响。
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3. **循环嵌套时使用乘法**。总操作数量等于外层循环和内层循环操作数量之积,每一层循环依然可以分别套用上述 `1.` 和 `2.` 技巧。
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以下示例展示了使用上述技巧前、后的统计结果。
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以下示例展示了使用上述技巧前、后的统计结果。两者推出的时间复杂度相同,即为 $O(n^2)$ 。
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$$
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\begin{aligned}
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@ -652,8 +654,6 @@ T(n) & = n^2 + n & \text{偷懒统计 (o.O)}
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\end{aligned}
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$$
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最终,两者都能推出相同的时间复杂度结果,即 $O(n^2)$ 。
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=== "Java"
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```java title=""
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@ -875,7 +875,7 @@ $$
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<div class="center-table" markdown>
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| 操作数量 $T(n)$ | 时间复杂度 $O(f(n))$ |
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| 操作数量 $T(n)$ | 时间复杂度 $O(f(n))$ |
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| ---------------------- | -------------------- |
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| $100000$ | $O(1)$ |
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| $3n + 2$ | $O(n)$ |
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@ -900,7 +900,7 @@ $$
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!!! tip
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部分示例代码需要一些预备知识,包括数组、递归算法等。如果遇到不理解的部分,请不要担心,可以在学习完后面章节后再回顾。现阶段,请先专注于理解时间复杂度的含义和推算方法。
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|
部分示例代码需要一些预备知识,包括数组、递归等。如果你遇到不理解的部分,可以在学习完后面章节后再回顾。现阶段,请先专注于理解时间复杂度的含义和推算方法。
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### 常数阶 $O(1)$
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@ -1058,10 +1058,6 @@ $$
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遍历数组和遍历链表等操作的时间复杂度均为 $O(n)$ ,其中 $n$ 为数组或链表的长度。
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!!! question "如何确定输入数据大小 $n$ ?"
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**数据大小 $n$ 需根据输入数据的类型来具体确定**。例如,在上述示例中,我们直接将 $n$ 视为输入数据大小;在下面遍历数组的示例中,数据大小 $n$ 为数组的长度。
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=== "Java"
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```java title="time_complexity.java"
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@ -1134,6 +1130,8 @@ $$
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[class]{}-[func]{array_traversal}
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```
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值得注意的是,**数据大小 $n$ 需根据输入数据的类型来具体确定**。比如在第一个示例中,变量 $n$ 为输入数据大小;在第二个示例中,数组长度 $n$ 为数据大小。
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### 平方阶 $O(n^2)$
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平方阶的操作数量相对于输入数据大小以平方级别增长。平方阶通常出现在嵌套循环中,外层循环和内层循环都为 $O(n)$ ,因此总体为 $O(n^2)$ 。
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@ -1292,11 +1290,9 @@ $$
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### 指数阶 $O(2^n)$
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!!! note
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生物学的“细胞分裂”是指数阶增长的典型例子:初始状态为 $1$ 个细胞,分裂一轮后变为 $2$ 个,分裂两轮后变为 $4$ 个,以此类推,分裂 $n$ 轮后有 $2^n$ 个细胞。
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生物学的“细胞分裂”是指数阶增长的典型例子:初始状态为 $1$ 个细胞,分裂一轮后变为 $2$ 个,分裂两轮后变为 $4$ 个,以此类推,分裂 $n$ 轮后有 $2^n$ 个细胞。
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指数阶增长非常迅速,在实际应用中通常是不可接受的。若一个问题使用「暴力枚举」求解的时间复杂度为 $O(2^n)$ ,那么通常需要使用「动态规划」或「贪心算法」等方法来解决。
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以下代码模拟了细胞分裂的过程。
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=== "Java"
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@ -1372,7 +1368,7 @@ $$
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![指数阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_exponential.png)
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在实际算法中,指数阶常出现于递归函数。例如以下代码,不断地一分为二,经过 $n$ 次分裂后停止。
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在实际算法中,指数阶常出现于递归函数。例如以下代码,其递归地一分为二,经过 $n$ 次分裂后停止。
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=== "Java"
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@ -1446,13 +1442,11 @@ $$
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[class]{}-[func]{exp_recur}
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```
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### 对数阶 $O(\log n)$
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指数阶增长非常迅速,在穷举法(暴力搜索、回溯等)中比较常见。对于数据规模较大的问题,指数阶是不可接受的,通常需要使用「动态规划」或「贪心」等算法来解决。
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与指数阶相反,对数阶反映了“每轮缩减到一半的情况”。对数阶仅次于常数阶,时间增长缓慢,是理想的时间复杂度。
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对数阶常出现于「二分查找」和「分治算法」中,体现了“一分为多”和“化繁为简”的算法思想。
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### 对数阶 $O(\log n)$
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设输入数据大小为 $n$ ,由于每轮缩减到一半,因此循环次数是 $\log_2 n$ ,即 $2^n$ 的反函数。
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与指数阶相反,对数阶反映了“每轮缩减到一半”的情况。设输入数据大小为 $n$ ,由于每轮缩减到一半,因此循环次数是 $\log_2 n$ ,即 $2^n$ 的反函数。
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=== "Java"
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@ -1602,6 +1596,8 @@ $$
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[class]{}-[func]{log_recur}
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```
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对数阶常出现于基于「分治」的算法中,体现了“一分为多”和“化繁为简”的算法思想。它增长缓慢,是理想的时间复杂度,仅次于常数阶。
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### 线性对数阶 $O(n \log n)$
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线性对数阶常出现于嵌套循环中,两层循环的时间复杂度分别为 $O(\log n)$ 和 $O(n)$ 。
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@ -1684,7 +1680,7 @@ $$
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### 阶乘阶 $O(n!)$
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阶乘阶对应数学上的「全排列」问题。给定 $n$ 个互不重复的元素,求其所有可能的排列方案,方案数量为:
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阶乘阶对应数学上的“全排列”问题。给定 $n$ 个互不重复的元素,求其所有可能的排列方案,方案数量为:
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$$
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n! = n \times (n - 1) \times (n - 2) \times \cdots \times 2 \times 1
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@ -1766,14 +1762,16 @@ $$
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![阶乘阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_factorial.png)
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请注意,因为 $n! > 2^n$ ,所以阶乘阶比指数阶增长地更快,在 $n$ 较大时也是不可接受的。
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## 最差、最佳、平均时间复杂度
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**某些算法的时间复杂度不是固定的,而是与输入数据的分布有关**。例如,假设输入一个长度为 $n$ 的数组 `nums` ,其中 `nums` 由从 $1$ 至 $n$ 的数字组成,但元素顺序是随机打乱的;算法的任务是返回元素 $1$ 的索引。我们可以得出以下结论:
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**算法的时间效率往往不是固定的,而是与输入数据的分布有关**。假设输入一个长度为 $n$ 的数组 `nums` ,其中 `nums` 由从 $1$ 至 $n$ 的数字组成,但元素顺序是随机打乱的,任务目标是返回元素 $1$ 的索引。我们可以得出以下结论:
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- 当 `nums = [?, ?, ..., 1]` ,即当末尾元素是 $1$ 时,需要完整遍历数组,此时达到 **最差时间复杂度 $O(n)$** 。
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- 当 `nums = [1, ?, ?, ...]` ,即当首个数字为 $1$ 时,无论数组多长都不需要继续遍历,此时达到 **最佳时间复杂度 $\Omega(1)$** 。
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- 当 `nums = [?, ?, ..., 1]` ,即当末尾元素是 $1$ 时,需要完整遍历数组,**达到最差时间复杂度 $O(n)$** 。
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- 当 `nums = [1, ?, ?, ...]` ,即当首个数字为 $1$ 时,无论数组多长都不需要继续遍历,**达到最佳时间复杂度 $\Omega(1)$** 。
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“函数渐近上界”使用大 $O$ 记号表示,代表「最差时间复杂度」。相应地,“函数渐近下界”用 $\Omega$ 记号来表示,代表「最佳时间复杂度」。
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「最差时间复杂度」对应函数渐近上界,使用大 $O$ 记号表示。相应地,「最佳时间复杂度」对应函数渐近下界,用 $\Omega$ 记号表示。
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=== "Java"
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@ -1890,15 +1888,13 @@ $$
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[class]{}-[func]{find_one}
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```
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!!! tip
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实际应用中我们很少使用「最佳时间复杂度」,因为通常只有在很小概率下才能达到,可能会带来一定的误导性。相反,「最差时间复杂度」更为实用,因为它给出了一个“效率安全值”,让我们可以放心地使用算法。
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值得说明的是,我们在实际中很少使用「最佳时间复杂度」,因为通常只有在很小概率下才能达到,可能会带来一定的误导性。**而「最差时间复杂度」更为实用,因为它给出了一个效率安全值**,让我们可以放心地使用算法。
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从上述示例可以看出,最差或最佳时间复杂度只出现在“特殊分布的数据”中,这些情况的出现概率可能很小,因此并不能最真实地反映算法运行效率。相较之下,**「平均时间复杂度」可以体现算法在随机输入数据下的运行效率**,用 $\Theta$ 记号来表示。
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从上述示例可以看出,最差或最佳时间复杂度只出现于“特殊的数据分布”,这些情况的出现概率可能很小,并不能真实地反映算法运行效率。相比之下,**「平均时间复杂度」可以体现算法在随机输入数据下的运行效率**,用 $\Theta$ 记号来表示。
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对于部分算法,我们可以简单地推算出随机数据分布下的平均情况。比如上述示例,由于输入数组是被打乱的,因此元素 $1$ 出现在任意索引的概率都是相等的,那么算法的平均循环次数则是数组长度的一半 $\frac{n}{2}$ ,平均时间复杂度为 $\Theta(\frac{n}{2}) = \Theta(n)$ 。
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但在实际应用中,尤其是较为复杂的算法,计算平均时间复杂度比较困难,因为很难简便地分析出在数据分布下的整体数学期望。在这种情况下,我们通常使用最差时间复杂度作为算法效率的评判标准。
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但对于较为复杂的算法,计算平均时间复杂度往往是比较困难的,因为很难分析出在数据分布下的整体数学期望。在这种情况下,我们通常使用最差时间复杂度作为算法效率的评判标准。
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!!! question "为什么很少看到 $\Theta$ 符号?"
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