排序算法简介(时间频度,时间复杂度,空间复杂度)

这篇博客介绍了排序算法中的时间频度、时间复杂度和空间复杂度。讨论了内部排序算法,如直接插入、冒泡、快速等,并通过代码示例解释了如何测试算法运行时间。时间复杂度部分涵盖了常数阶、对数阶、线性阶、线性对数阶、平方阶等,强调了不同阶别的增长趋势。同时,也提及了空间复杂度,指出其衡量算法所需存储空间的重要性。

排序算法

内部排序:直接使用内存的排序

直接插入排序,希尔排序,简单选择排序,堆排序,冒泡排序,快速排序,归并排序,基数排序

测试算法运行的时间

这里是用的是输出算法执行前的时间,和算法执行之后的时间,来查看算法实际花费的时间。

代码:

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
				
				//排序前的时间输出
        Date date = new Date();
        SimpleDateFormat  simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        String Date1 = simpleDateFormat.format(date);
        System.out.println("排序前的时间为"+Date1);
        
        //排序之后的时间的输出
        Date date_after = new Date();
        String Date2 = simpleDateFormat.format(date_after);
        System.out.println("排序前的时间为"+Date2);

时间频度

一个算法中的语句执行次数称为语句频度和时间频度,记为T(n)。

一般来说,T(n)可以忽略常数项,忽略低次项,忽略系数。

时间复杂度

  1. 常数阶O(1)

    只要没有循环等复杂结构,都是O(1)。

    所消耗的时间并不会随着某个变量的增长而增长。

  2. 对数阶O(log2N)

    int i = 1;
    while(i<n){
    	i = i*2;
    }
    

    这段代码就是循环log2N次,结束循环。

  3. 线性阶O(n)

    for(int i = 0;i<n;i++)
    

    单层的for循环就是线性阶。

  4. 线性对数阶O(nlogN)

    实际上就是对数阶循环了n遍

    for(int j = 1;j<=n;j++){
    
    int i = 1
    while(i<n){
    	i = i*2;
    }
    
    }
    
  5. 平方阶O(n^ 2)

    实际上就是两个for循环嵌套

    for(i = 1;i<=n;i++){
    	for(j = 1;j<=n;j++){
    	
    	}
    }
    

常见时间复杂度排序:

O(1) < O(log2N) < O(n) < O(nlog2n) < O(n^2) < O(2^n)

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算法的空间复杂度

定义为该算法所耗费的存储空间,有的算法需要占用的临时工作单元数与解决问题的规模n有关,随着n的增大,占用的存储单元也增大。

一般来说,从用户体验来说,更看重时间复杂度,一些缓存产品和算法本质上就是空间换时间。

<think>首先,用户查询是:“我想查找判断算法时间复杂度空间复杂度的方法”。用户要求我参考站内引用,这些引用是关于算法时间复杂度空间复杂度的概念。 回顾系统指令: - 所有行内数学表达式必须使用 $...$ 格式。 - 独立公式必须使用 $$...$$ 格式并单独成段。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识。 - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 用户提供了几个引用: - 引用[1]:解释了平均时间复杂度和最坏时间复杂度空间复杂度的基本概念。 - 引用[2]:讨论了如何估算时间复杂度,特别是循环结构的频度。 - 引用[3]:强调了最坏情况运行时间的重要性。 - 引用[4]:提供了一个代码示例,但没有详细说明。 - 引用[5]:展示了冒泡排序的时间复杂度计算。 用户的核心需求是“判断算法时间复杂度空间复杂度的方法”,所以我需要基于引用提供清晰的方法指南。 结构化我的回答: 1. **介绍**:简要解释时间复杂度空间复杂度的定义。 2. **判断时间复杂度的方法**: - 基于引用[2],讨论如何通过分析代码循环次数来估算时间复杂度。 - 强调引用[3]中的最坏情况分析。 - 使用数学表达式表示时间复杂度。 3. **判断空间复杂度的方法**: - 基于引用[1],解释空间复杂度作为存储空间量度的概念。 4. **示例**:使用引用中的例子或简单例子来说明方法。 5. **总结**:概述关键点。 6. **生成相关问题**:在末尾添加相关问题。 确保使用正确的LaTeX格式: - 行内数学表达式:例如,$O(n^2)$。 - 独立公式:如果有复杂公式,单独成行。 语言:全程使用中文。 参考用户上一次的问题和我的回答:用户上次的问题是关于快速排序的,但这次是全新的查询,所以我直接基于当前引用回答。 关键点从引用中提取: - 引用[2]:时间复杂度的估算主要通过循环结构的频度。给出例子:a) O(1), b) O(n), c) O(n^2)。 - 引用[1]:空间复杂度是算法临时占用存储空间的量度,可能随n增大。 - 引用[3]:最坏情况的时间复杂度是常见的关注点。 - 引用[5]:提供了冒泡排序的代码,时间复杂度为O(n^2)。 我需要在回答中引用这些内容: - 例如,在讨论最坏情况时,添加[^3]。 - 在估算方法时,添加[^2]。 步骤方法: 1. **时间复杂度判断步骤**: - 识别算法中的基本操作。 - 分析循环结构,计算频度。 - 考虑最好、平均和最坏情况(基于引用[1]和[3])。 - 用大O表示法表示。 2. **空间复杂度判断步骤**: - 识别算法中的变量和数据结构。 - 计算额外空间需求,通常与输入规模n相关。 - 用大O表示法表示。 示例: - 使用冒泡排序的例子从引用[5]。 - 或创建一个简单例子。 相关问题生成: - 基于主题,如“如何优化算法以减少时间复杂度?”、“常见算法的时间复杂度有哪些?”等。 最终回答结构: 1. 引言:定义概念。 2. 判断时间复杂度的方法。 3. 判断空间复杂度的方法。 4. 示例说明。 5. 总结。 6. 相关问题。 </think>### 判断算法时间复杂度空间复杂度的方法 判断算法的时间复杂度空间复杂度是算法分析的核心步骤,有助于评估算法的性能和资源消耗。下面是基于站内引用的系统方法,我将逐步解释判断过程,并使用中文确保清晰易懂。关键点包括估算循环频度、区分最坏/平均情况、以及量化存储空间需求。所有数学表达式均遵循指令格式(行内用 $...$,独立公式用 $$...$$)。 --- #### 一、判断时间复杂度的方法 时间复杂度描述算法运行时间随输入规模 $n$ 的增长趋势,通常用大O表示法($O(\cdot)$)量化。判断方法基于代码结构分析,特别是循环结构[^2]。 1. **识别基本操作和循环结构**: - 算法中的基本操作(如赋值、比较)被视为单位时间。 - 重点关注循环结构:顺序和分支结构只运行一次,而循环次数直接影响时间复杂度[^2]。 - 计算循环频度(即循环执行次数)。例如: - 单层循环:频度为 $n$,时间复杂度为 $O(n)$。 - 嵌套循环:频度为 $n \times n = n^2$,时间复杂度为 $O(n^2)$[^2]。 2. **分析不同情况**: - **最坏情况时间复杂度**:算法在任何输入实例上的最差运行时间,是常用指标,因为它提供性能保证[^1][^3]。例如,查找数组中元素时,元素在末尾位置,时间复杂度为 $O(n)$[^3]。 - **平均情况时间复杂度**:所有输入实例均等概率出现时的平均运行时间。但实际分析中往往忽略,因为它难以计算且不稳定[^1]。 - **最好情况时间复杂度**:最佳输入下的运行时间,通常较少关注。 3. **应用大O表示法**: - 忽略常数和低阶项,只保留最高阶项。例如,频度为 $2n^2 + 3n + 1$ 简化为 $O(n^2)$。 - 估算步骤: 1. 统计基本操作频度。 2. 推导频度表达式(如多项式)。 3. 简化为大O形式。 **示例:冒泡排序的时间复杂度分析(引用[5]代码)** 代码中,外层循环运行 $n$ 次,内层循环在最坏情况下运行 $n-1, n-2, \dots, 1$ 次(当数组逆序时)。频度总和为: $$ \sum_{i=1}^{n} (i-1) \approx \frac{n(n-1)}{2} $$ 忽略低阶项和常数,时间复杂度为 $O(n^2)$(最坏情况)[^5]。 --- #### 二、判断空间复杂度的方法 空间复杂度衡量算法运行时临时占用的存储空间(不包括输入数据),也使用大O表示法。它关注额外空间需求随 $n$ 的变化[^1]。 1. **识别存储需求**: - 算法中的变量、数组、递归调用栈等消耗空间。 - 忽略固定空间(如代码本身),只考虑与 $n$ 相关的动态空间[^1][^3]。 2. **分析空间增长趋势**: - 空间复杂度取决于问题规模 $n$。例如: - 常量空间:$O(1)$(如单个变量)。 - 线性空间:$O(n)$(如大小为 $n$ 的数组)。 - 递归空间:考虑递归深度,如快速排序最坏情况为 $O(n)$(引用[1]提到其空间占用随 $n$ 增大)[^1]。 3. **步骤总结**: 1. 列出所有额外数据结构(如临时数组、堆栈)。 2. 计算其大小与 $n$ 的关系。 3. 简化为大O形式。 **示例:递归算法的空间复杂度** 考虑斐波那契数列的递归实现: ```python def fib(n): if n <= 1: return n return fib(n-1) + fib(n-2) ``` - 递归调用栈深度为 $n$,占用空间 $O(n)$。 - 对比时间复杂度的 $O(2^n)$,空间优化算法(如迭代版)可降至 $O(1)$。 --- #### 三、总结与注意事项 - **时间复杂度优先**:算法分析中,时间复杂度更受关注,因为它直接影响用户体验(如执行速度)[^1]。空间复杂度通常在资源受限时(如嵌入式系统)才重点优化。 - **关键原则**: - 时间复杂度的判断基于循环频度和最坏情况[^2][^3]。 - 空间复杂度的判断基于额外存储需求[^1]。 - 大O表示法简化了比较:$O(1) < O(\log n) < O(n) < O(n^2) < O(2^n)$。 - **实际应用**:在优化时,常需权衡“时间 vs. 空间”(如缓存算法用空间换时间)[^1]。 通过以上方法,您可以系统地分析任何算法的复杂度。例如,分析快速排序(用户上次问题):时间平均 $O(n \log n)$、最坏 $O(n^2)$,空间 $O(\log n)$(递归栈)[^1]。 ---
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