2018-06-24算法效率衡量

数据结构和算法:兵法!
开发人员必备基本功
有了算法,能达到事半功倍的效果

引入

先来看一道题:

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?

枚举法:一个一个数去试

枚举法

算法的定义:算法是独立存在的一种解决问题的方法和思想。

算法的五大特性

输入: 算法具有0个或多个输入
输出: 算法至少有1个或多个输出
有穷性: 算法在有限的步骤之后会自动结束而不会无限循环,并且每一个步骤可以在可接受的时间内完成
确定性:算法中的每一步都有确定的含义,不会出现二义性
可行性:算法的每一步都是可行的,也就是说每一步都能够执行有限的次数完成

解法1:

# 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
import time

start_time = time.time()
for a in range(0, 1001):
    for b in range(0, 1001):
        for c in range(0, 1001):
            if a+b+c==1000 and a**2+b**2==c**2:
                print("a,b,c:%d, %d, %d"%(a,b,c))
end_time = time.time()
print("end, the time is%d"%(end_time - start_time))

效果:
a,b,c:0, 500, 500
a,b,c:200, 375, 425
a,b,c:375, 200, 425
a,b,c:500, 0, 500
end, the time is152

Process finished with exit code 0

解法2:


import time

start_time = time.time()
for a in range(0, 1001):
    for b in range(0, 1001):
        c = 1000-a-b
        if a**2+b**2==c**2:
            print("a,b,c:%d,%d,%d"%(a, b, c))
end_time = time.time()
print("end, the time is %d"%(end_time-start_time))

效果:
a,b,c:0,500,500
a,b,c:200,375,425
a,b,c:375,200,425
a,b,c:500,0,500
end, the time is 1

Process finished with exit code 0

每台机器 执行的总时间不同
但是执行基本运算数量大体相同

时间复杂度:程序运行效率的一种衡量方式,用执行运算步骤多少来表示。
算法是解决问题的一个方法,具有通用性,通用性体现在n上。
所以:

时间复杂度

函数:T(n) = n^3 * 2
就是程序的时间复杂度
只要分析大概是什么值就可以了,不用分析具体有多大:
计量算法基本操作数量的规模函数中那些常量因子可以忽略不计。例如,可以认为3n2和100n2属于同一个量级,如果两个算法处理同样规模实例的代价分别为这两个函数,就认为它们的效率“差不多”,都为n2级。

对于算法的时间效率,我们可以用“大O记法”来表示。

“大O记法”:

对于单调的整数函数f,如果存在一个整数函数g和实常数c>0,使得对于充分大的n总有f(n)<=c*g(n),就说函数g是f的一个渐近函数(忽略常数),记为f(n)=O(g(n))。也就是说,在趋向无穷的极限意义下,函数f的增长速度受到函数g的约束,亦即函数f与函数g的特征相似。

时间复杂度:假设存在函数g,使得算法A处理规模为n的问题示例所用时间为T(n)=O(g(n)),则称O(g(n))为算法A的渐近时间复杂度,简称时间复杂度,记为T(n)

如何理解“大O记法”

对于算法进行特别具体的细致分析虽然很好,但在实践中的实际价值有限。对于算法的时间性质和空间性质,最重要的是其数量级和趋势,这些是分析算法效率的主要部分。而计量算法基本操作数量的规模函数中那些常量因子可以忽略不计。例如,可以认为3n2和100n2属于同一个量级,如果两个算法处理同样规模实例的代价分别为这两个函数,就认为它们的效率“差不多”,都为n2级。

最坏时间复杂度:

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

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)[所有基本操作都只算一步]
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

根据规则计算时间复杂度

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