算法初步

算法的定义

算法是解决特定问题求解步骤的描述,在计算机中表现为指令的有限序列,并且每条指令表示一个或者是多个操作。


算法的特性

1.输入输出:算法具有零个或者多个输入,对于绝大多数情况来说,输入参数是很有必要的,担当有些情况仅仅需要我们输出,比如打印一个“hello world”对于这样的需求我们只需要输出就可以了,因此算法至少有一个或者多个输出。

2.有穷性:算法在执行有限的步骤后,会自动结束而不会出现无限循环,并且每一个步骤都可以在人们能够接受的时间内完成。

3.确定性:算法的每一个步骤都应当具有确定的含义,不会出现二义性,即算法在一定的条件下,只有一条执行路径,对于相同的输入只能有一个输出结果。

4.可行性:算法的每一步必须是可行的,即算法的每一步都可以通过执行有限次数完成。


算法设计的要求

1.正确性:算法至少应该具有输入、输出和加工处理无歧义性、能正确反映问题的需求,能够得到问题的正确答案。

2.可读性:算法设计出来是为了给人看的,是为了方便解决实际问题,因此需要算法设计便于阅读、理解和交流。

3.健壮性:当输入的数据不合法时,算法也能做出相应的回应而不是产生异常或者是莫名奇妙的结果。

4.时间效率高和存储量低:设计算法应该尽量满足时间效率高和存储量低的需求,在实际生活中,人们都希望花最少的时间办成最大的事情,算法也是这样,最好是利用最少的空间、花费最少的时间来解决问题。


算法的时间复杂度

算法的时间复杂度即算法的时间量度,记作T(n) = O(f(n))。随着问题规模n的增长,算法执行时间的增长率和f(n)的增长率相同,称作算法的渐近时间复杂度,简称为时间复杂度。其中f(n)是问题规模n的函数。


推倒大O阶的方法

1.用常数1取代运行时间中的所有加法常数。

2.在修改的运行次数函数中只保留最高阶项。

3.如果最高阶存在且不为1,则去除与这个项相乘的常数。

常数阶O(1)

与n的大小无关,执行时间恒定的算法,称之具有O(1)阶的时间复杂度又叫作常数阶。

O(1)


线性阶O(n)

当一个循环体需要执行n次的时候,该循环的时间复杂度为O(n)


O(n)

对数阶O(logn)

我们先看一个例子


O(logn)

上面的代码每次count值乘以2,就距离n更近了点,也就是说有多少个2相乘之后便会大于n从而退出循环。由2^x = n 可以得到 x = log2n,即这个循环的时间复杂度为O(logn)。

平方阶O(n^2)

我们先来看一段代码


O(n^2)

不难看出,循环中嵌套着一个循环,每个循环都要执行n次,于是共要执行n * n = n^2次,算法的时间复杂度为O(n^2)。我们可以得出一个结论:

循环的时间复杂度 = 循环体的时间复杂度 * 循环运行的次数


常见的时间复杂度

O(1)<O(logn)<O(n)<O(nlogn)<O(n^2)<O(n^3)<O(2^n)<O(n!)<O(n^n)

注:一般后面三种不予以考虑


练习

求下列代码的时间复杂度


练习

答案是O(n^2)

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