软考复习:时间复杂度到底在数什么

同一个双重循环,内层边界不同,增长速度可能完全不同。

edyang · 2013-01-05

同一个双重循环,内层边界不同,增长速度可能完全不同。复习复杂度时,先把输入规模和基本操作说清楚。

本文使用经典算法与关系数据库的纸面例题。复习时把概念放进一个可手算的小问题:先声明假设,再列状态变化,最后检查反例。题目中的边界条件往往比公式本身更容易失分。

1. 从现象推到机制

顺序执行的两段循环取较大增长阶,嵌套循环则需要求和。若内层从零走到外层下标,总次数是等差数列,不是凭代码里有几个 for 就下结论。忽略常数只服务于渐近比较,不表示常数在工程中无影响。

软考复习:时间复杂度到底在数什么的处理、反馈与观察关系

图中的四个节点分别表示输入规模、循环边界、次数求和、增长比较。顺着实线检查输入如何变成输出,再沿虚线核对反馈条件。图示表达的是本文讨论的关系,不是实测曲线或现场截图。

2. 最小实现与输入条件

把 n 分别设为十、百、千,只累计加法次数,不夹带打印和磁盘访问。下面的计数表达式可直接手算,适合核对三角形循环。

1
2
3
4
5
count = 0
for i = 0 .. n-1:
    for j = 0 .. i:
        count += 1
# count = n * (n + 1) / 2

例题中的规模和耗时都是教学输入。先手算一遍,再用短程序核对;记录推导过程,避免只背住选项或最终数字。实际系统的性能不能直接从纸面复杂度推出。

3. 用对照区分原因

下表列出需要主动改变的条件。预期行为来自机制分析,复现时还需记录运行环境和原始输出,不能将预期当作已经测得的结果。

改变的条件 需要验证的行为
输入翻倍 次数比值逐渐接近四
改为顺序循环 增长阶变为线性
内层固定十次 嵌套形式仍可为线性

对照 1:输入翻倍

次数比值逐渐接近四。观察时记录两次计数与各自的输入规模。把这个条件与基准情形分开,有助于判断变化来自哪一层;若得到相反结果,应先核对前提,再修改实现。

对照 2:改为顺序循环

增长阶变为线性。观察时记录循环边界是否仍存在依赖。把这个条件与基准情形分开,有助于判断变化来自哪一层;若得到相反结果,应先核对前提,再修改实现。

对照 3:内层固定十次

嵌套形式仍可为线性。观察时记录常数上界没有随输入增加。把这个条件与基准情形分开,有助于判断变化来自哪一层;若得到相反结果,应先核对前提,再修改实现。

4. 适用条件与取舍

复杂度比较应在相同问题、相同输出要求下进行。排序后再查找的方案要计入排序成本,单次查询与重复查询的最优选择可能不同;不能只比较最后一步。

一次正常运行只覆盖了这组输入。继续扩展前,应把上面的异常对照保留下来,尤其关注“内层固定十次”这一分支。后续方案若改变了图中任意一处依赖,原来的判断就要重新验证,不能仅凭界面相似或返回值相同沿用结论。

同月延伸

参考资料

  1. MIT 算法课程资料
  2. Java SE 7 API 文档