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Yudong Jin
2022-12-21 01:37:58 +08:00
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- **时间效率** ,即算法的运行速度的快慢。
- **空间效率** ,即算法占用的内存空间大小。
数据结构与算法追求 “运行得快、内存占用少” ,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算法,才能去做算法之间的对比分析,以及优化算法设计。
数据结构与算法追求“运行得快、内存占用少”,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算法,才能去做算法之间的对比分析,以及优化算法设计。
## 效率评估方法
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## 复杂度分析的重要性
复杂度分析给出一把评价算法效率的 “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。
复杂度分析给出一把评价算法效率的“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。
计算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者算法的特点时,难以避免需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,建议读者先对计算复杂度建立起初步的了解,并且能够完成简单案例的复杂度分析**。

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## 推算方法
空间复杂度的推算方法和时间复杂度总体类似,只是从统计 “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个硬性要求,我们必须保证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和时间复杂度总体类似,只是从统计“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个硬性要求,我们必须保证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**,分别为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**,分别为输入数据的最差分布、算法运行中的最差时间点。
- **以最差输入数据为准。** 当 $n < 10$ 时,空间复杂度为 $O(1)$ ;但是当 $n > 10$ 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 $O(n)$

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@@ -106,7 +106,7 @@ $$
「时间复杂度分析」采取了不同的做法,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” 这个概念比较抽象,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”这个概念比较抽象,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` 。
- 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 $n$ 增大成线性增长。此算法的时间复杂度被称为「线性阶」。
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**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,这也正是时间增长趋势的含义。
**时间复杂度分析将统计「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。因此,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”
**时间复杂度分析将统计「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。因此,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”。
**时间复杂度也存在一定的局限性。** 比如,虽然算法 `A` 和 `C` 的时间复杂度相同,但是实际的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 $n$ 比较小时,算法 `B` 是要明显优于算法 `C` 的。即使存在这些问题,计算复杂度仍然是评判算法效率的最有效、最常用方法。
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**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。
以下表格给出了一些例子,其中有一些夸张的值,是想要向大家强调 **系数无法撼动阶数** 这一结论。在 $n$ 趋于无穷大时,这些常数都是 “浮云”
以下表格给出了一些例子,其中有一些夸张的值,是想要向大家强调 **系数无法撼动阶数** 这一结论。在 $n$ 趋于无穷大时,这些常数都是“浮云”。
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!!! note
生物学科中的 “细胞分裂” 即是指数阶增长: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。
生物学科中的“细胞分裂”即是指数阶增长: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。
指数阶增长得非常快,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」求解的时间复杂度是 $O(2^n)$ ,那么一般都需要使用「动态规划」或「贪心算法」等算法来求解。
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### 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,时间增长的很慢,是理想的时间复杂度。
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,时间增长的很慢,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。
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!!! 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。反之,「最差时间复杂度」最为实用,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。
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。反之,「最差时间复杂度」最为实用,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**。
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 $\Theta(\frac{n}{2}) = \Theta(n)$ 。