时间复杂度的规则与计算

 

1. 分析算法时,存在几种可能的考虑:

  • 算法完成工作最少需要多少基本操作,即最优时间复杂度
  • 算法完成工作最多需要多少基本操作,即最坏时间复杂度
  • 算法完成工作平均需要多少基本操作,即平均时间复杂度 

        对于最优时间复杂度,其价值不大,因为它没有提供什么有用信息,其反映的只是最乐观最理想的情况,没有参考价值。

        对于平均时间复杂度,是对算法的一个全面评价,因此它完整全面的反映了这个算法的性质。但另一方面,这种衡量并没有保证,不是每个计算都能在这个基本操作内完成。而且,对于平均情况的计算,也会因为应用算法的实例分布可能并不均匀而难以计算。

        对于最坏时间复杂度,提供了一种保证,表明算法在此种程度的基本操作中一定能完成工作。

        因此,我们主要关注算法的最坏情况,亦即最坏时间复杂度。

2. 时间复杂度的几条基本计算规则

  1. 基本操作,即只有常数项,认为其时间复杂度为O(1)
  2. 顺序结构,时间复杂度按加法进行计算
  3. 循环结构,时间复杂度按乘法进行计算
  4. 分支结构,时间复杂度取最大值
  5. 判断一个算法的效率时,往往只需要关注操作数量的最高次项,其它次要项和常数项可以忽略
  6. 在没有特殊说明时,我们所分析的算法的时间复杂度都是指最坏时间复杂度

3. 常见时间复杂度

执行次数函数举例非正式术语
12O(1)常数阶
2n+3O(n)线性阶
3n2+2n+1O(n2)平方阶
5log2n+20O(logn)对数阶
2n+3nlog2n+19O(nlogn)nlogn阶
6n3+2n2+3n+4O(n3)立方阶
2nO(2n)指数阶

注意,经常将log2n(以2为底的对数)简写成logn

4. 常见时间复杂度之间的关系

所消耗的时间从小到大

O(1) < O(logn) < O(n) < O(nlogn) < O(n2) < O(n3) < O(2n) < O(n!) < O(nn)

5. 例题: 

        题: 如果 a+b+c=1000,且 a^2+b^2=c^2(a,b,c 为自然数),如何求出所有a、b、c可能的组合?

    法1:

#coding=utf-8

import time

#开始时间
start_time = time.ctime();
print("start time: %s" %start_time)

for i in range(0, 1001): # 复杂度 n
    for j in range(0, 1001): # 复杂度 n*n
        for k in range(0, 1001): # 复杂度 n*n*n(max(1, 0)) = n^3
            if i+j+k==1000 and i**2+j**2==k**2:
                print("i-j-k: %d-%d-%d" %(i,j,k))
#结束时间
end_time = time.ctime()
print("end_time: %s" %end_time)


#所以最坏时间复杂度为
# T(n) = n*n*n(max(1, 0)) = n^3

    法2:

#coding=utf-8

import time

start_time = time.ctime();
print("start time: %s" %start_time)

for i in range(0, 1001): # 复杂度 n
    for j in range(0, 1001): # 复杂度 n*n
        k = 1000-i-j            # 复杂度 n*n*(1+max(1, 0))
        if i**2+j**2==k**2:
            print("i-j-k: %d-%d-%d" % (i, j, k))
        
end_time = time.ctime()
print("end_time: %s" %end_time)

#最坏时间复杂度
# T(n) = n*n*(1+ max(1, 0)) = n^2*2 = O(n^2)

        法1(n^3) 和 法2(n^2) 两者执行时间相差很大, 所以一个好的时间复杂度的程序对于程序效率的提升是很好的!

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