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1. Array and linked list.
2. Computational complexity.
3. Fix a mistake in counting_sort.md
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krahets
2023-04-07 22:31:50 +08:00
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commit de6945f55a
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@ -2,44 +2,44 @@
## 算法评价维度
在开始学习算法之前,我们首先要想清楚算法的设计目标是什么,或者说,如何评判算法的好与坏。整体上看,我们设计算法时追求两个层面的目标
在开始学习算法之前,我们首先需要明确算法的设计目标,换句话说,我们应该如何评判算法的优劣。从总体上看,算法设计追求以下两个层面的目标
1. **找到问题解法**。算法需要能够在规定的输入范围,可靠地求得问题的正确解。
2. **寻求最优解法**。同一个问题可能存在多种解法,我们希望算法效率尽可能的高
1. **找到问题解法**。算法需要在规定的输入范围,可靠地求得问题的正确解。
2. **寻求最优解法**。同一个问题可能存在多种解法,我们希望找到尽可能高效的算法。
换言之,在可以解决问题的前提下,算法效率则是主要评价维度,包括:
因此,在能够解决问题的前提下,算法效率成为主要评价维度,主要包括:
- **时间效率**,即算法运行速度的快慢。
- **空间效率**,即算法占用内存空间大小。
- **时间效率**,即算法运行速度的快慢。
- **空间效率**,即算法占用内存空间大小。
数据结构与算法追求“运行速度快、占用内存少”,而如何去评价算法效率则是非常重要的问题,因为只有知道如何评价法,才能去做算法间的对比分析,以及优化算法设计。
数据结构与算法的终极目标是“又快又省”。了解如何评估算法效率非常重要,因为只有掌握了评价法,我们才能进行算法间的对比分析,从而指导算法设计与优化
## 效率评估方法
### 实际测试
假设我们现在有算法 A 和 算法 B ,都能解决同一问题,现在需要对比两个算法之间的效率。我们能够想到的最直接的方式,就是找一台计算机,两个算法都完整跑一遍,并监控记录运行时间和内存占用情况。这种评估方式能够反映真实情况,但也存在很大的硬伤
假设我们现在有算法 A 和算法 B它们都能解决同一问题,现在需要对比两个算法的效率。我们最直接的方就是找一台计算机,运行这两个算法,并监控记录它们的运行时间和内存占用情况。这种评估方式能够反映真实情况,但也存在较大局限性
**难以排除测试环境的干扰因素**。硬件配置会影响算法的性能表现。例如,在某台计算机中,算法 A 比算法 B 运行时间更短;但换到另一台配置不同的计算机中,可能得到相反的测试结果。这意味着我们需要在各种机器上展开测试,而这是不现实的。
**难以排除测试环境的干扰因素**。硬件配置会影响算法的性能表现。例如,在某台计算机中,算法 A 的运行时间比算法 B 短;但另一台配置不同的计算机中,我们可能得到相反的测试结果。这意味着我们需要在各种机器上进行测试,而这是不现实的。
**展开完整测试非常耗费资源**。随着输入数据量的大小变化,算法会现出不同的效率表现。比如,有可能输入数据量较小时,算法 A 运行时间短于算法 B ,而在输入数据量较大时,测试结果截然相反。因此,若想要达到具有说服力的对比结果,那么需要输入各种体量数据,这样的测试需要占用大量计算资源。
**展开完整测试非常耗费资源**。随着输入数据量的变化,算法会现出不同的效率。例如,输入数据量较小时,算法 A 运行时间可能短于算法 B;而输入数据量较大时,测试结果可能相反。因此,为了得到有说服力的结论,我们需要测试各种规模的输入数据,这样需要占用大量计算资源。
### 理论估算
既然实际测试具有大的局限性,那么我们是否可以仅通过一些计算,就获知算法的效率水平呢?答案是肯定的,我们将此估算方法称为「复杂度分析 Complexity Analysis」或「渐近复杂度分析 Asymptotic Complexity Analysis」。
由于实际测试具有大的局限性,我们可以考虑仅通过一些计算来评估算法的效率。这种估算方法称为「复杂度分析 Complexity Analysis」或「渐近复杂度分析 Asymptotic Complexity Analysis」。
**复杂度分析评估的是算法运行效率随着输入数据量增多时的增长趋势**。这句话有些拗口,我们可以将其分为三个重点来理解:
**复杂度分析评估的是算法运行效率随着输入数据量增多时的增长趋势**。这个定义有些拗口,我们可以将其分为三个重点来理解:
- “算法运行效率”可分为“运行时间”和“占用空间”,进而可将复杂度分为「时间复杂度 Time Complexity」和「空间复杂度 Space Complexity」
- “随着输入数据量增多时”表复杂度与输入数据量有关,反映算法运行效率与输入数据量之间的关系;
- “增长趋势”表示复杂度分析不关心算法具体使用了多少时间或占用了多少空间,而是给出一种“趋势性分析”
- “算法运行效率”可分为“运行时间”和“占用空间”,因此我们可以将复杂度分为「时间复杂度 Time Complexity」和「空间复杂度 Space Complexity」
- “随着输入数据量增多时”表复杂度与输入数据量有关,反映算法运行效率与输入数据量之间的关系;
- “增长趋势”表示复杂度分析关注的是算法时间与空间的增长趋势,而非具体的运行时间或占用空间
**复杂度分析克服了实际测试方法的弊端**一是独立于测试环境,分析结果适用于所有运行平台。二是可以体现不同数据量下的算法效率,尤其是可以反映大数据量下的算法性能。
**复杂度分析克服了实际测试方法的弊端**首先,它独立于测试环境,因此分析结果适用于所有运行平台。其次,它可以体现不同数据量下的算法效率,尤其是大数据量下的算法性能。
如果感觉对复杂度分析的概念一知半解,无需担心,后续章节会展开介绍。
如果对复杂度分析的概念仍感到困惑,无需担心,我们会在后续章节详细介绍。
## 复杂度分析重要性
复杂度分析给出一把评算法效率的“标尺”,告诉我们执行某个算法需要多少时间和空间资源,也让我们可以开展不同算法之间的效率对比
复杂度分析为我们提供了一把评算法效率的“标尺”,告诉我们执行某个算法所需的时间和空间资源,并使我们能够对比不同算法之间的效率。
复杂度是个数学概念,对于初学者可能比较抽象,学习难度相对较高。从这个角度出发,其并不适合作为第一章内容。但是,当我们讨论某个数据结构或算法的特点时,难以避免要分析它的运行速度和空间使用情况。**因此,在展开学习数据结构与算法之前,建议读者先对复杂度建立初步的了解,并能够完成简单案例的复杂度分析**。
复杂度是个数学概念,对于初学者可能比较抽象,学习难度相对较高。从这个角度看,复杂度分析可能不太适合作为第一章内容。然而,当我们讨论某个数据结构或算法的特点时,我们难以避免要分析运行速度和空间使用情况。**因此,在深入学习数据结构与算法之前,建议读者先对复杂度建立初步的了解,并能够完成简单案例的复杂度分析**。

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@ -1,24 +1,24 @@
# 空间复杂度
「空间复杂度 Space Complexity」统计 **算法使用内存空间随着数据量变大时的增长趋势**。这个概念与时间复杂度类似。
「空间复杂度 Space Complexity」用于衡量算法使用内存空间随着数据量变大时的增长趋势。这个概念与时间复杂度非常类似。
## 算法相关空间
算法运行中使用的内存空间主要以下几种:
算法运行过程中使用的内存空间主要包括以下几种:
- 「输入空间」用于存储算法的输入数据;
- 「暂存空间」用于存储算法运行中的变量、对象、函数上下文等数据;
- 「暂存空间」用于存储算法运行过程中的变量、对象、函数上下文等数据;
- 「输出空间」用于存储算法的输出数据;
!!! tip
通常情况下,空间复杂度统计范围是「暂存空间」+「输出空间」。
通常情况下,空间复杂度统计范围是「暂存空间」+「输出空间」。
暂存空间可以进一步划分为三个部分:
暂存空间可分为三个部分:
- 「暂存数据」用于保存算法运行过程中的各种常量、变量、对象等。
- 「栈帧空间」用于保存调用函数的上下文数据。系统在每次调用函数时都会在栈顶部创建一个栈帧,函数返回后,栈帧空间会被释放。
- 「指令空间」用于保存编译后的程序指令,在实际统计中通常忽略不计。
- 「暂存数据」用于保存算法运行中的各种 **常量、变量、对象**
- 「栈帧空间」用于保存调用函数的上下文数据。系统每次调用函数都会在栈的顶部创建一个栈帧,函数返回时,栈帧空间会被释放。
- 「指令空间」用于保存编译后的程序指令,**在实际统计中一般忽略不计**。
因此,在分析一段程序的空间复杂度时,我们一般统计 **暂存数据、输出数据、栈帧空间** 三部分
![算法使用的相关空间](space_complexity.assets/space_types.png)
@ -249,12 +249,12 @@
## 推算方法
空间复杂度的推算方法时间复杂度总体类似,只是统计“计算操作数量”变为统计“使用空间大小”。与时间复杂度不同的是,**我们一般只关注「最差空间复杂度」**这是因为内存空间是一硬性要求,我们必须保在所有输入数据下都有足够的内存空间预留。
空间复杂度的推算方法时间复杂度大致相同,只是统计对象从“计算操作数量”转为“使用空间大小”。与时间复杂度不同的是,**我们通常只关注「最差空间复杂度」**这是因为内存空间是一硬性要求,我们必须保在所有输入数据下都有足够的内存空间预留。
**最差空间复杂度中的“最差”有两层含义**,分别输入数据的最差分布算法运行中的最差时间点。
**最差空间复杂度中的“最差”有两层含义**,分别输入数据的最差分布算法运行过程中的最差时间点。
- **以最差输入数据为准**。当 $n < 10$ 时,空间复杂度为 $O(1)$ ;但当 $n > 10$ 时,初始化的数组 `nums` 使用 $O(n)$ 空间;因此最差空间复杂度为 $O(n)$
- **以算法运行过程中的峰值内存为准**。程序在执行最后一行之前,使用 $O(1)$ 空间;当初始化数组 `nums` 时,程序使用 $O(n)$ 空间;因此最差空间复杂度为 $O(n)$
- **以最差输入数据为准**。当 $n < 10$ 时,空间复杂度为 $O(1)$ ;但当 $n > 10$ 时,初始化的数组 `nums` 用 $O(n)$ 空间;因此最差空间复杂度为 $O(n)$
- **以算法运行过程中的峰值内存为准**。例如,程序在执行最后一行之前,用 $O(1)$ 空间;当初始化数组 `nums` 时,程序用 $O(n)$ 空间;因此最差空间复杂度为 $O(n)$
=== "Java"
@ -364,7 +364,7 @@
```
**在递归函数中,需要注意统计栈帧空间**。例如函数 `loop()`在循环中调用了 $n$ 次 `function()` ,每轮中的 `function()` 都返回并释放了栈帧空间,因此空间复杂度仍为 $O(1)$ 。而递归函数 `recur()` 在运行中会同时存在 $n$ 个未返回的 `recur()` ,从而使用 $O(n)$ 的栈帧空间。
**在递归函数中,需要注意统计栈帧空间**。例如函数 `loop()` 在循环中调用了 $n$ 次 `function()`,每轮中的 `function()` 都返回并释放了栈帧空间,因此空间复杂度仍为 $O(1)$ 。而递归函数 `recur()` 在运行过程中会同时存在 $n$ 个未返回的 `recur()`,从而用 $O(n)$ 的栈帧空间。
=== "Java"
@ -564,7 +564,7 @@ $$
!!! tip
部分示例代码需要一些前置知识,包括数组、链表、二叉树、递归算法等。如果遇到看不懂的地方无需担心,可以在学习完后面章节后再来复习,现阶段先聚焦在理解空间复杂度含义和推算方法
部分示例代码需要一些前置知识,包括数组、链表、二叉树、递归算法等。如果遇到看不懂的地方无需担心,可以在学习完后面章节后再来复习,现阶段我们先专注于理解空间复杂度含义和推算方法。
### 常数阶 $O(1)$
@ -762,7 +762,7 @@ $$
### 平方阶 $O(n^2)$
平方阶常见于元素数量与 $n$ 成平方关系的矩阵、图
平方阶常见于矩阵和图,元素数量与 $n$ 成平方关系。
=== "Java"
@ -824,7 +824,7 @@ $$
[class]{}-[func]{quadratic}
```
在以下递归函数中,同时存在 $n$ 个未返回的 `algorithm()` ,并且每个函数中都初始化了一个数组,长度分别为 $n, n-1, n-2, ..., 2, 1$ ,平均长度为 $\frac{n}{2}$ ,因此总体使用 $O(n^2)$ 空间。
在以下递归函数中,同时存在 $n$ 个未返回的 `algorithm()`,并且每个函数中都初始化了一个数组,长度分别为 $n, n-1, n-2, ..., 2, 1$ ,平均长度为 $\frac{n}{2}$ ,因此总体用 $O(n^2)$ 空间。
=== "Java"
@ -890,7 +890,7 @@ $$
### 指数阶 $O(2^n)$
指数阶常见于二叉树。高度为 $n$ 的「满二叉树」的点数量为 $2^n - 1$ 使用 $O(2^n)$ 空间。
指数阶常见于二叉树。高度为 $n$ 的「满二叉树」的点数量为 $2^n - 1$ 用 $O(2^n)$ 空间。
=== "Java"
@ -956,8 +956,8 @@ $$
### 对数阶 $O(\log n)$
对数阶常见于分治算法数据类型转换等。
对数阶常见于分治算法数据类型转换等。
例如归并排序」,长度为 $n$ 的数组可以形成高度为 $\log n$ 的递归树,因此空间复杂度为 $O(\log n)$ 。
例如归并排序”算法,输入长度为 $n$ 的数组,每轮递归将数组从中点划分为两半,形成高度为 $\log n$ 的递归树,使用 $O(\log n)$ 栈帧空间
再例如数字转化为字符串,输入任意正整数 $n$ ,它的位数为 $\log_{10} n$ ,即对应字符串长度为 $\log_{10} n$ ,因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n) = O(\log n)$ 。
再例如数字转化为字符串,输入任意正整数 $n$ ,它的位数为 $\log_{10} n$ ,即对应字符串长度为 $\log_{10} n$ ,因此空间复杂度为 $O(\log_{10} n) = O(\log n)$ 。

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@ -1,10 +1,10 @@
# 权衡时间与空间
理想情况下,我们希望算法的时间复杂度和空间复杂度都能达到最优,而实际上,同时优化时间复杂度和空间复杂度是非常困难的。
理想情况下,我们希望算法的时间复杂度和空间复杂度都能达到最优。然而在实际情况中,同时优化时间复杂度和空间复杂度通常是非常困难的。
**降低时间复杂度,往往是以提升空间复杂度为代价,反之亦然**。我们牺牲内存空间来提升算法运行速度的思路称为「以空间换时间」;反之,称之为「以时间换空间」。选择哪种思路取决于我们更看重哪个方面。
**降低时间复杂度通常需要以提升空间复杂度为代价,反之亦然**。我们牺牲内存空间来提升算法运行速度的思路称为「以空间换时间」;反之,称之为「以时间换空间」。
大多数情况下,时间都是比空间更宝贵的,只要空间复杂度不要太离谱、能接受就行,**因此以空间换时间最为常用**
选择哪种思路取决于我们更看重哪个方面。在大多数情况下,时间比空间更宝贵,因此以空间换时间通常是更常用的策略。当然,在数据量很大的情况下,控制空间复杂度也是非常重要的
## 示例题目 *
@ -13,16 +13,16 @@
!!! question "两数之和"
给定一个整数数组 `nums` 和一个整数目标值 `target` ,请你在该数组中找出“和”为目标值 `target` 的那两个整数,并返回它们的数组下标。
你可以假设每种输入只会对应一个答案。但是,数组中同一个元素在答案里不能重复出现。
你可以按任意顺序返回答案。
「暴力枚举」和「辅助哈希表」分别对应 **空间最优****时间最优** 的两种解法。本着时间比空间更宝贵的原则,后者是本题的最佳解法。
「暴力枚举」和「辅助哈希表」分别对应“空间最优”和“时间最优”的两种解法。遵循时间比空间更宝贵的原则,后者是本题的最佳解法。
### 方法一:暴力枚举
考虑直接遍历所有所有可能性。通过开启一个两层循环,判断两个整数的和是否为 `target` ,若是则返回它的索引(即下标)即可
考虑直接遍历所有可能的组合。通过开启一个两层循环,判断两个整数的和是否为 `target` ,若是则返回它的索引(即下标)。
=== "Java"
@ -84,11 +84,11 @@
[class]{}-[func]{twoSumBruteForce}
```
该方法的时间复杂度为 $O(N^2)$ ,空间复杂度为 $O(1)$ **属于时间换空间**。方法时间复杂度高,在大数据量下非常耗时。
该方法的时间复杂度为 $O(n^2)$ ,空间复杂度为 $O(1)$ **属于时间换空间**。方法时间复杂度高,在大数据量下非常耗时。
### 方法二:辅助哈希表
考虑借助一个哈希表key 为数组元素、value 为元素索引。循环遍历数组中的每个元素 `num` ,并执行:
考虑借助一个哈希表key-value 分别为数组元素和元素索引。循环遍历数组中的每个元素 num并执行
1. 判断数字 `target - num` 是否在哈希表中,若是则直接返回该两个元素的索引;
2. 将元素 `num` 和其索引添加进哈希表;
@ -153,4 +153,4 @@
[class]{}-[func]{twoSumHashTable}
```
该方法的时间复杂度为 $O(N)$ ,空间复杂度为 $O(N)$ **体现空间换时间**。本方法虽然引入了额外空间使用,但时间和空间使用整体更加均衡,因此本题最优解法。
该方法的时间复杂度为 $O(N)$ ,空间复杂度为 $O(N)$ **体现了以空间换时间**。尽管此方法引入了额外空间使用,但时间和空间的整体效率更为均衡,因此它是本题最优解法。

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@ -2,22 +2,22 @@
### 算法效率评估
- 时间效率和空间效率是算法性能的两个重要的评价维度。
- 我们可以通过实际测试来评估算法效率,但难以除测试环境的干扰,并且非常耗费计算资源。
- 复杂度分析克服实际测试的弊端,分析结果适用于所有运行平台,并且可以体现不同数据大小下的算法效率。
- 时间效率和空间效率是评价算法性能的两个关键维度。
- 我们可以通过实际测试来评估算法效率,但难以除测试环境的影响,且会耗费大量计算资源。
- 复杂度分析可以克服实际测试的弊端,分析结果适用于所有运行平台,并且能够揭示算法在不同数据规模下的效率。
### 时间复杂度
- 时间复杂度统计算法运行时间随数据量变大时的增长趋势,可以有效评估算法效率,但在某些情况下可能失效,如在输入数据量较小或时间复杂度相同时,无法精确对比算法效率的优劣
- 最差时间复杂度使用大 $O$ 符号表示,即函数渐上界,反映当 $n$ 趋正无穷时,$T(n)$ 处于何种增长级别。
- 推算时间复杂度分为两步,首先统计计算操作数量,判断渐上界。
- 常见时间复杂度从小到大排列有 $O(1)$ , $O(\log n)$ , $O(n)$ , $O(n \log n)$ , $O(n^2)$ , $O(2^n)$ , $O(n!)$ 。
- 某些算法的时间复杂度不是恒定的,而是与输入数据的分布有关。时间复杂度分为最差时间复杂度最佳时间复杂度,后者几乎不用,因为输入数据需要满足苛刻的条件才能达到最佳情况。
- 平均时间复杂度可以反映在随机数据输入下的算法效率,最贴合实际使用情况下的算法性能。计算平均时间复杂度需要统计输入数据分布以及综合后的数学期望。
- 时间复杂度用于衡量算法运行时间随数据量增长趋势,可以有效评估算法效率,但在某些情况下可能失效,如在输入数据量较小或时间复杂度相同时,无法精确对比算法效率的优劣。
- 最差时间复杂度使用大 $O$ 符号表示,即函数渐上界,反映当 $n$ 趋正无穷时,$T(n)$ 增长级别。
- 推算时间复杂度分为两步,首先统计计算操作数量,然后判断渐上界。
- 常见时间复杂度从小到大排列有 $O(1)$ , $O(\log n)$ , $O(n)$ , $O(n \log n)$ , $O(n^2)$ , $O(2^n)$ , $O(n!)$
- 某些算法的时间复杂度非固定,而是与输入数据的分布有关。时间复杂度分为最差、最佳、平均时间复杂度最佳时间复杂度几乎不用,因为输入数据一般需要满足严格条件才能达到最佳情况。
- 平均时间复杂度反映算法在随机数据输入下的运行效率,最接近实际应用中的算法性能。计算平均时间复杂度需要统计输入数据分布以及综合后的数学期望。
### 空间复杂度
- 时间复杂度的定义类似,空间复杂度统计算法占用空间随数据量变大时的增长趋势。
- 算法运行相关内存空间可分为输入空间、暂存空间、输出空间。通常情况下,输入空间不计入空间复杂度计算。暂存空间可分为指令空间、数据空间、栈帧空间,其中栈帧空间一般在递归函数中才会影响空间复杂度。
- 我们一般只关最差空间复杂度,即统计算法在最差输入数据和最差运行时间点下的空间复杂度。
- 常见空间复杂度从小到大排列有 $O(1)$ , $O(\log n)$ , $O(n)$ , $O(n^2)$ , $O(2^n)$ 。
- 类似于时间复杂度,空间复杂度用于衡量算法占用空间随数据量增长趋势。
- 算法运行过程中的相关内存空间可分为输入空间、暂存空间、输出空间。通常情况下,输入空间不计入空间复杂度计算。暂存空间可分为指令空间、数据空间、栈帧空间,其中栈帧空间通常仅在递归函数中影响空间复杂度。
- 我们通常只关最差空间复杂度,即统计算法在最差输入数据和最差运行时间点下的空间复杂度。
- 常见空间复杂度从小到大排列有 $O(1)$ , $O(\log n)$ , $O(n)$ , $O(n^2)$ , $O(2^n)$

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@ -2,11 +2,11 @@
## 统计算法运行时间
运行时间能够直观且准确地体现出算法的效率水平。如果我们想要 **准确预估一段代码的运行时间** ,该如何呢?
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,该如何操作呢?
1. 首先需要 **确定运行平台** ,包括硬件配置、编程语言、系统环境等,这些都会影响代码的运行效率。
2. 评估 **各种计算操作所需运行时间** ,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。
3. 根据代码 **统计所有计算操作的数量** ,并将所有操作的执行时间求和,即可得到运行时间。
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。
2. **评估各种计算操作所需运行时间**,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。
3. **统计代码中所有计算操作**,并将所有操作的执行时间求和,从而得到运行时间。
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 。
@ -155,16 +155,16 @@ $$
```
实际上, **统计算法的运行时间既不合理也不现实**。首先,我们不希望预估时间和运行平台绑定,毕竟算法需要在各式各样的平台之上。其次,我们很难获知每种操作的运行时间,这预估过程带来了极大的难度。
然而实际上,**统计算法的运行时间既不合理也不现实**。首先,我们不希望预估时间和运行平台绑定,因为算法需要在各种不同的平台上运行。其次,我们很难获知每种操作的运行时间,这预估过程带来了极大的难度。
## 统计时间增长趋势
「时间复杂度分析」采取了不同的法,其统计的不是算法运行时间,而是 **算法运行时间随着数据量变大时的增长趋势**
「时间复杂度分析」采取了一种不同的法,其统计的不是算法运行时间,**而是算法运行时间随着数据量变大时的增长趋势**。
“时间增长趋势”这个概念较抽象,我们借助一个例子来理解。设输入数据大小为 $n$ ,给定三个算法 `A` , `B` , `C` 。
“时间增长趋势”这个概念较抽象,我们通过一个例子来加以理解。设输入数据大小为 $n$,给定三个算法 `A``B``C` 。
- 算法 `A` 只有 $1$ 个打印操作,算法运行时间不随着 $n$ 增大而增长。我们称此算法的时间复杂度为「常数阶」。
- 算法 `B` 中的打印操作需要循环 $n$ 次,算法运行时间随着 $n$ 增大线性增长。此算法的时间复杂度被称为「线性阶」。
- 算法 `B` 中的打印操作需要循环 $n$ 次,算法运行时间随着 $n$ 增大线性增长。此算法的时间复杂度被称为「线性阶」。
- 算法 `C` 中的打印操作需要循环 $1000000$ 次,但运行时间仍与输入数据大小 $n$ 无关。因此 `C` 的时间复杂度和 `A` 相同,仍为「常数阶」。
=== "Java"
@ -367,17 +367,17 @@ $$
![算法 A, B, C 的时间增长趋势](time_complexity.assets/time_complexity_simple_example.png)
直接统计算法运行时间,时间复杂度分析的做法有什么好处呢?以及有什么不足
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
**时间复杂度可以有效评估算法效率**。算法 `B` 运行时间的增长是线性的,在 $n > 1$ 时慢于算法 `A` ,在 $n > 1000000$ 时慢于算法 `C` 。实质上,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的含义。
**时间复杂度能够有效评估算法效率**。例如,算法 `B` 运行时间呈线性增长,在 $n > 1$ 时算法 `A` ,在 $n > 1000000$ 时算法 `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。
**时间复杂度的推算方法更简便**。在时间复杂度分析中,我们可以将统计「计算操作的运行时间」简化为统计「计算操作的数量」,这是因为,无论是运行平台还是计算操作类型都与算法运行时间的增长趋势无关。因,我们可以简单地将所有计算操作的执行时间统一看作是相同的“单位时间”,这样的简化法大大降低了估算难度。
**时间复杂度的推算方法更简便**。显然,运行平台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”,这样的简化法大大降低了估算难度。
**时间复杂度也存在一定的局限性**。如,虽然算法 `A` 和 `C` 的时间复杂度相同,但实际运行时间有非常大的差别。再比如,虽然算法 `B` 比 `C` 的时间复杂度要更高,但在输入数据大小 $n$ 较小时,算法 `B` 是要明显优于算法 `C` 的。对于以上情况,我们很难仅凭时间复杂度来判定算法效率高低。然而,即使存在这些问题,复杂度分析仍然是评判算法效率最有效且常用的方法。
**时间复杂度也存在一定的局限性**。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,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。
## 函数渐近上界
设算法计算操作数量」为 $T(n)$ ,其是一个关于输入数据大小 $n$ 的函数。例如,以下算法的操作数量为
设算法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
$$
T(n) = 3 + 2n
@ -515,11 +515,11 @@ $$
```
$T(n)$ 是一次函数,说明时间增长趋势是线性的,因此易得时间复杂度是线性阶。
$T(n)$ 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。
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」表函数 $T(n)$ 的「渐近上界 asymptotic upper bound」。
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」函数 $T(n)$ 的「渐近上界 Asymptotic Upper Bound」。
我们要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。下面我们先来看看函数渐近上界的数学定义。
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。
!!! abstract "函数渐近上界"
@ -534,22 +534,20 @@ $T(n)$ 是个一次函数,说明时间增长趋势是线性的,因此易得
![函数的渐近上界](time_complexity.assets/asymptotic_upper_bound.png)
本质上,计算渐近上界就是找一个函数 $f(n)$ **使得 $n$ 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**
!!! tip
渐近上界的数学味儿有点重,如果你感觉没有完全理解,无需担心,因为在实际使用中我们只需要会推算即可,数学意义可以慢慢领悟。
本质上,计算渐近上界就是找一个函数 $f(n)$ ,使得 $n$ 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。
## 推算方法
推算出 $f(n)$ 后,我们就得到时间复杂度 $O(f(n))$ 。那么,如何来确定渐近上界 $f(n)$ 呢?总体分为两步,首先「统计操作数量」,然后「判断渐近上界」
渐近上界的数学味儿有点重,如果你感觉没有完全理解,也无需担心。因为在实际使用中,我们只需要掌握推算方法,数学意义可以逐渐领悟
根据定义,确定 $f(n)$ 之后,我们便可得到时间复杂度 $O(f(n))$ 。那么如何确定渐近上界 $f(n)$ 呢?总体分为两步:首先统计操作数量,然后判断渐近上界。
### 1) 统计操作数量
代码,从上到下一行一行地计数即可。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偷懒技巧:
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:
1. **跳过数量与 $n$ 无关的操作**。因为们都是 $T(n)$ 中的常数项,对时间复杂度不产生影响。
2. **省略所有系数**。例如,循环 $2n$ 次、$5n + 1$ 次、……,都可以简记为 $n$ 次,因为 $n$ 前面的系数对时间复杂度也不产生影响。
1. **忽略与 $n$ 无关的操作**。因为们都是 $T(n)$ 中的常数项,对时间复杂度不产生影响。
2. **省略所有系数**。例如,循环 $2n$ 次、$5n + 1$ 次,都可以简记为 $n$ 次,因为 $n$ 前面的系数对时间复杂度没有影响。
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。
以下示例展示了使用上述技巧前、后的统计结果。
@ -743,9 +741,9 @@ $$
### 2) 判断渐近上界
**时间复杂度由多项式 $T(n)$ 中最高阶的项来决定**。这是因为在 $n$ 趋于无穷大时,最高阶的项将处于主导作用,其它项的影响都可以被忽略。
**时间复杂度由多项式 $T(n)$ 中最高阶的项来决定**。这是因为在 $n$ 趋于无穷大时,最高阶的项将发挥主导作用,其它项的影响都可以被忽略。
以下表格给出了一些例子,其中一些夸张的值,是想要向大家强调 **系数无法撼动阶数** 这一结论。 $n$ 趋于无穷大时,这些常数都是“浮云”
以下表格展示了一些例子,其中一些夸张的值是为了强调“系数无法撼动阶数这一结论。 $n$ 趋于无穷大时,这些常数变得无足轻重
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@ -761,7 +759,7 @@ $$
## 常见类型
设输入数据大小为 $n$ ,常见的时间复杂度类型有(从低到高排列)
设输入数据大小为 $n$ ,常见的时间复杂度类型包括(按照从低到高的顺序排列)
$$
\begin{aligned}
@ -774,13 +772,13 @@ $$
!!! tip
部分示例代码需要一些前置知识,包括数组、递归算法等。如果遇到看不懂的地方无需担心,可以在学习完后面章节后再来复习,现阶段先聚焦在理解时间复杂度含义和推算方法
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含义和推算方法。
### 常数阶 $O(1)$
常数阶的操作数量与输入数据大小 $n$ 无关,即不随着 $n$ 的变化而变化。
对于以下算法,无论操作数量 `size` 有多大,只要与数据大小 $n$ 无关,时间复杂度仍为 $O(1)$ 。
对于以下算法,尽管操作数量 `size` 可能很大,但由于其与数据大小 $n$ 无关,因此时间复杂度仍为 $O(1)$ 。
=== "Java"
@ -844,7 +842,7 @@ $$
### 线性阶 $O(n)$
线性阶的操作数量相对输入数据大小线性级别增长。线性阶常出现单层循环。
线性阶的操作数量相对输入数据大小线性级别增长。线性阶常出现单层循环
=== "Java"
@ -906,11 +904,11 @@ $$
[class]{}-[func]{linear}
```
遍历数组」和「遍历链表等操作时间复杂度为 $O(n)$ ,其中 $n$ 为数组或链表的长度。
遍历数组遍历链表等操作时间复杂度为 $O(n)$ ,其中 $n$ 为数组或链表的长度。
!!! tip
!!! question "如何确定输入数据大小 $n$ "
**数据大小 $n$ 根据输入数据的类型来确定**。如,在上述示例中,我们直接将 $n$ 看作输入数据大小;以下遍历数组示例中,数据大小 $n$ 为数组的长度。
**数据大小 $n$ 根据输入数据的类型来具体确定**。如,在上述示例中,我们直接将 $n$ 视为输入数据大小;在下面遍历数组示例中,数据大小 $n$ 为数组的长度。
=== "Java"
@ -974,7 +972,7 @@ $$
### 平方阶 $O(n^2)$
平方阶的操作数量相对输入数据大小平方级别增长。平方阶常出现嵌套循环,外层循环和内层循环都为 $O(n)$ ,总体为 $O(n^2)$ 。
平方阶的操作数量相对输入数据大小平方级别增长。平方阶常出现嵌套循环,外层循环和内层循环都为 $O(n)$ 因此总体为 $O(n^2)$ 。
=== "Java"
@ -1038,7 +1036,7 @@ $$
![常数阶、线性阶、平方阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_constant_linear_quadratic.png)
以「冒泡排序」为例,外层循环 $n - 1$ 次,内层循环 $n-1, n-2, \cdots, 2, 1$ 次,平均为 $\frac{n}{2}$ 次,因此时间复杂度为 $O(n^2)$ 。
以「冒泡排序」为例,外层循环执行 $n - 1$ 次,内层循环执行 $n-1, n-2, \cdots, 2, 1$ 次,平均为 $\frac{n}{2}$ 次,因此时间复杂度为 $O(n^2)$ 。
$$
O((n - 1) \frac{n}{2}) = O(n^2)
@ -1108,9 +1106,9 @@ $$
!!! note
生物学科中的“细胞分裂”是指数阶增长:初始状态为 $1$ 个细胞,分裂一轮后为 $2$ 个,分裂两轮后为 $4$ 个,……,分裂 $n$ 轮后有 $2^n$ 个细胞。
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,分裂一轮后为 $2$ 个,分裂两轮后为 $4$ 个,以此类推,分裂 $n$ 轮后有 $2^n$ 个细胞。
指数阶增长非常,在实际应用中一般是不能被接受的。若一个问题使用「暴力枚举」求解的时间复杂度 $O(2^n)$ ,那么一般都需要使用「动态规划」或「贪心算法」等法来解。
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 $O(2^n)$ ,那么通常需要使用「动态规划」或「贪心算法」等法来解
=== "Java"
@ -1174,7 +1172,7 @@ $$
![指数阶的时间复杂度](time_complexity.assets/time_complexity_exponential.png)
在实际算法中,指数阶常出现于递归函数。例如以下代码,不断地一分为二,分裂 $n$ 次后停止。
在实际算法中,指数阶常出现于递归函数。例如以下代码,不断地一分为二,经过 $n$ 次分裂后停止。
=== "Java"
@ -1238,9 +1236,9 @@ $$
### 对数阶 $O(\log n)$
对数阶与指数阶正好相反,后者反映“每轮增加到两倍的情况”,而前者反映“每轮缩减到一半的情况”。对数阶仅次于常数阶,时间增长得很慢,是理想的时间复杂度。
与指数阶相反,对数阶反映“每轮缩减到一半的情况”。对数阶仅次于常数阶,时间增长慢,是理想的时间复杂度。
对数阶常出现于「二分查找」和「分治算法」中,体现“一分为多”“化繁为简”的算法思想。
对数阶常出现于「二分查找」和「分治算法」中,体现“一分为多”“化繁为简”的算法思想。
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。
@ -1372,7 +1370,7 @@ $$
线性对数阶常出现于嵌套循环中,两层循环的时间复杂度分别为 $O(\log n)$ 和 $O(n)$ 。
主流排序算法的时间复杂度都是 $O(n \log n )$ ,例如快速排序、归并排序、堆排序等。
主流排序算法的时间复杂度通常为 $O(n \log n)$ ,例如快速排序、归并排序、堆排序等。
=== "Java"
@ -1438,13 +1436,13 @@ $$
### 阶乘阶 $O(n!)$
阶乘阶对应数学上的「全排列」。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
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
$$
n! = n \times (n - 1) \times (n - 2) \times \cdots \times 2 \times 1
$$
阶乘常使用递归实现。例如以下代码,第一层分裂出 $n$ 个,第二层分裂出 $n - 1$ 个,…… ,直至第 $n$ 层时终止分裂。
阶乘常使用递归实现。例如以下代码,第一层分裂出 $n$ 个,第二层分裂出 $n - 1$ 个,以此类推,直至第 $n$ 层时终止分裂。
=== "Java"
@ -1510,12 +1508,12 @@ $$
## 最差、最佳、平均时间复杂度
**某些算法的时间复杂度不是定的,而是与输入数据的分布有关**。举一个例子,输入一个长度为 $n$ 数组 `nums` ,其中 `nums` 由从 $1$ 至 $n$ 的数字组成,但元素顺序是随机打乱的;算法的任务是返回元素 $1$ 的索引。我们可以得出以下结论:
**某些算法的时间复杂度不是定的,而是与输入数据的分布有关**。例如,假设输入一个长度为 $n$ 数组 `nums` ,其中 `nums` 由从 $1$ 至 $n$ 的数字组成,但元素顺序是随机打乱的;算法的任务是返回元素 $1$ 的索引。我们可以得出以下结论:
- 当 `nums = [?, ?, ..., 1]`,即当末尾元素是 $1$ 时,需完整遍历数组,此时达到 **最差时间复杂度 $O(n)$**
- 当 `nums = [1, ?, ?, ...]` ,即当首个数字为 $1$ 时,无论数组多长都不需要继续遍历,此时达到 **最佳时间复杂度 $\Omega(1)$**
- 当 `nums = [?, ?, ..., 1]` ,即当末尾元素是 $1$ 时,需完整遍历数组,此时达到 **最差时间复杂度 $O(n)$**
- 当 `nums = [1, ?, ?, ...]` ,即当首个数字为 $1$ 时,无论数组多长都不需要继续遍历,此时达到 **最佳时间复杂度 $\Omega(1)$**
函数渐近上界使用大 $O$ 记号表示,代表「最差时间复杂度」。与之对应,「函数渐近下界用 $\Omega$ 记号Omega Notation来表示,代表「最佳时间复杂度」。
函数渐近上界使用大 $O$ 记号表示,代表「最差时间复杂度」。相应地,“函数渐近下界用 $\Omega$ 记号来表示,代表「最佳时间复杂度」。
=== "Java"
@ -1618,14 +1616,14 @@ $$
!!! tip
我们在实际应用中很少使用「最佳时间复杂度」,因为往往只有很小概率下才能达到,会带来一定的误导性。反,「最差时间复杂度」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。
实际应用中我们很少使用「最佳时间复杂度」,因为通常只有很小概率下才能达到,可能会带来一定的误导性。反,「最差时间复杂度」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。
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往往很小,因此并不能最真实地反映算法运行效率。**相对地,「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Theta Notation来表示**
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。
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 $\Theta(\frac{n}{2}) = \Theta(n)$ 。
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。这种情况下,我们一般使用最差时间复杂度作为算法效率的评判标准。
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。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。
!!! question "为什么很少看到 $\Theta$ 符号?"
实际中我们经常使用「大 $O$ 符号」来表示「平均复杂度」,这样严格意义上来说是不规范的。这可能是因为 $O$ 符号实在是太朗朗上口了。</br>如果在本书和其他资料中看到类似 **平均时间复杂度 $O(n)$** 的表述,请直接理解为 $\Theta(n)$ 即可
可能由于 $O$ 符号过于朗朗上口,我们常常使用它来表示「平均复杂度」,但从严格意义上看,这种做法并不规范。在本书和其他资料中,若遇到类似“平均时间复杂度 $O(n)$的表述,请将其直接理解为 $\Theta(n)$ 。