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大O,您如何计算/近似?

algorithm

大多数拥有CS学位的人肯定会知道BigO代表什么。它可以帮助我们评估算法的可扩展性。

但是我很好奇, 如何计算或估算算法的复杂性?


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2020-07-28

共1个答案

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我会尽力在这里简单地解释它,但要注意,这个主题需要我的学生花几个月的时间才能最终掌握。您可以[在《Java中的[数据结构和算法》第二章中找到更多信息。


没有可用于获取BigOh的机械程序

作为“食谱”,要从一段代码中获取BigOh,您首先需要意识到,您正在创建一个数学公式,以计算给定大小的输入后执行多少计算步骤。

目的很简单:从理论的角度比较算法,而无需执行代码。步骤数越少,算法越快。

例如,假设您有这段代码:

int sum(int* data, int N) {
    int result = 0;               // 1

    for (int i = 0; i < N; i++) { // 2
        result += data[i];        // 3
    }

    return result;                // 4
}

此函数返回数组所有元素的总和,我们想创建一个公式来计算该函数的计算复杂度

Number_Of_Steps = f(N)

因此,我们有f(N)一个函数来计算计算步骤的数量。函数的输入是要处理的结构的大小。这意味着将调用该函数,例如:

Number_Of_Steps = f(data.length)

该参数Ndata.length值。现在我们需要函数的实际定义f()。这是从源代码完成的,其中每个有趣的行从1到4编号。

有许多方法可以计算BigOh。从这一点出发,我们将假定不依赖于输入数据大小的每个句子都采用恒定C数量的计算步骤。

我们将添加函数的各个步骤,并且局部变量声明和return语句都不依赖于data数组的大小。

这意味着第1行和第4行每个都执行C步,并且函数有点像这样:

f(N) = C + ??? + C

下一部分是定义for语句的值。请记住,我们正在计算计算步骤的数量,这意味着for语句的主体将获得执行N时间。这是一样的添加CN时间:

f(N) = C + (C + C + ... + C) + C = C + N * C + C

没有机械规则来计算for执行主体的次数,您需要通过查看代码的作用来进行计数。为了简化计算,我们忽略了for语句的变量初始化,条件和增量部分。

为了获得实际的BigOh,我们需要对该函数进行渐近分析。大致是这样完成的:

  1. 带走所有常数C
  2. f()获得polynomiumstandard form
  3. 除以多项式的项,然后按增长率对其进行排序。
  4. N靠近的时候保持增长infinity

我们f()有两个术语:

f(N) = 2 * C * N ^ 0 + 1 * C * N ^ 1

删除所有C常量和冗余部分:

f(N) = 1 + N ^ 1

由于最后一项是f()接近无穷大(考虑极限)时会增大的一项,因此这是BigOh参数,并且该sum()函数的BigOh为:

O(N)

有一些技巧可以解决一些棘手的问题:尽可能使用求和

例如,可以使用求和轻松地解决此代码:

for (i = 0; i < 2*n; i += 2) {  // 1
    for (j=n; j > i; j--) {     // 2
        foo();                  // 3
    }
}

您需要问的第一件事是的执行顺序foo()。通常情况下O(1),您需要向您的教授询问。O(1)表示(几乎,大部分)常量C,与大小无关N

for关于第一句的陈述很棘手。当索引在处结束时2 * N,增量增加2。这意味着第一个for仅执行N步骤,我们需要将计数除以二。

f(N) = Summation(i from 1 to 2 * N / 2)( ... ) = 
     = Summation(i from 1 to N)( ... )

句号码 2 是更加棘手,因为它取决于价值i。看一下:索引i取值:0、2、4、6、8,…,2 * N,并for执行第二个:N倍第一个,N-2第二个,N-4第三个…直到N / 2阶段,第二个for从不执行。

在公式上,这意味着:

f(N) = Summation(i from 1 to N)( Summation(j = ???)(  ) )

同样,我们正在计算 步骤数 。而且根据定义,每次求和应始终以一个开始,并以大于或等于1的数字结束。

f(N) = Summation(i from 1 to N)( Summation(j = 1 to (N - (i - 1) * 2)( C ) )

(我们假设foo()是,O(1)并且将采取C步骤。)

我们这里有一个问题:当i将值N / 2 + 1向上取整时,内部求和运算将以负数结束!那是不可能的,也是错误的。我们需要将求和一分为二,这是当前i需要的关键点N / 2 + 1

f(N) = Summation(i from 1 to N / 2)( Summation(j = 1 to (N - (i - 1) * 2)) * ( C ) ) + Summation(i from 1 to N / 2) * ( C )

由于关键时刻i > N / 2,内部for将不会执行,因此我们假设其主体上的C执行复杂度恒定。

现在,可以使用一些标识规则来简化求和:

  1. 求和(w从1到N)(C)= N * C
  2. 求和(w从1到N)(A(+/-)B)=求和(w从1到N)(A)(+/-)求和(w从1到N)(B)
  3. 求和(w从1到N)(w * C)= C *求和(w从1到N)(w)(C是一个常数,独立于w
  4. 求和(w从1到N)(w)=(N *(N + 1))/ 2

应用一些代数:

f(N) = Summation(i from 1 to N / 2)( (N - (i - 1) * 2) * ( C ) ) + (N / 2)( C )

f(N) = C * Summation(i from 1 to N / 2)( (N - (i - 1) * 2)) + (N / 2)( C )

f(N) = C * (Summation(i from 1 to N / 2)( N ) - Summation(i from 1 to N / 2)( (i - 1) * 2)) + (N / 2)( C )

f(N) = C * (( N ^ 2 / 2 ) - 2 * Summation(i from 1 to N / 2)( i - 1 )) + (N / 2)( C )

=> Summation(i from 1 to N / 2)( i - 1 ) = Summation(i from 1 to N / 2 - 1)( i )

f(N) = C * (( N ^ 2 / 2 ) - 2 * Summation(i from 1 to N / 2 - 1)( i )) + (N / 2)( C )

f(N) = C * (( N ^ 2 / 2 ) - 2 * ( (N / 2 - 1) * (N / 2 - 1 + 1) / 2) ) + (N / 2)( C )

=> (N / 2 - 1) * (N / 2 - 1 + 1) / 2 =

   (N / 2 - 1) * (N / 2) / 2 =

   ((N ^ 2 / 4) - (N / 2)) / 2 =

   (N ^ 2 / 8) - (N / 4)

f(N) = C * (( N ^ 2 / 2 ) - 2 * ( (N ^ 2 / 8) - (N / 4) )) + (N / 2)( C )

f(N) = C * (( N ^ 2 / 2 ) - ( (N ^ 2 / 4) - (N / 2) )) + (N / 2)( C )

f(N) = C * (( N ^ 2 / 2 ) - (N ^ 2 / 4) + (N / 2)) + (N / 2)( C )

f(N) = C * ( N ^ 2 / 4 ) + C * (N / 2) + C * (N / 2)

f(N) = C * ( N ^ 2 / 4 ) + 2 * C * (N / 2)

f(N) = C * ( N ^ 2 / 4 ) + C * N

f(N) = C * 1/4 * N ^ 2 + C * N

BigOh是:

O(N²)
2020-07-28