複雜度計算
複雜度計算的重點整理。
Introduction
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Definition by Algorithm: An algorithm is a finite set of instructions that if followed, accomplishes a particular task . In addition, all algorithms must satisfy the following criteria.
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演算法是一組有限的指令集合,若依序執行,便能完成某項特定任務。 此外,所有演算法必須符合以下幾項條件。
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Input. Zero or more quantities are externally supplied. 輸入零個或是多個數值
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output. 演算法必須產生至少一個結果。
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definiteness(確定性). Each instruction must be clear and unambiguous.每一條指令都必須是明確且無歧義的,不能讓執行者產生混淆。
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finiteness(有限性). 演算法必須在有限步驟內結束,不能無限執行。
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effectiveness(有效性) .每一條指令都必須是非常基本的,以至於理論上人類只用紙筆就能執行它。 僅僅像第三項(criterion 標準確定性)那樣定義清楚還不夠;它還必須是可行的(實際能做到的)。
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Selection sort algorithm
- 找到最小的元素(\(a[j]\)),交換當前的元素(\(a[i]\)) \(tmp:=a[i]; \ a[i]:=a[j]; \ a[j]:=tmp;\)
Algorithm SelectionSort(a,n) { for i := 1 to n do { j:=i; for k=i+1 to n do if (a[k] < a[j]) then j:=k; tmp:=a[i]; a[i]:=a[j]; a[j]:=tmp; } }
C 與 C++ 的參數傳遞
在 C/C++ 中,參數傳遞方式會影響變動空間需求:
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C style 陣列
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函式參數
int A[]或int A[100]都退化為int* A(指標),表示傳址(call-by-address),不會複製陣列。 -
若要模擬 call-by-value(複製整個陣列),必須手動分配並
memcpy:void bar_by_value(int A[], int n) { int* copy = (int*)malloc(n * sizeof(int)); memcpy(copy, A, n * sizeof(int)); // SP(I) = Θ(n) free(copy); } -
直接傳指標時:
void bar_by_address(int A[], int n) { // SP(I) = Θ(1) }
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C++ 容器(std::vector / std::array)
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值傳遞
std::vector<int> v:會複製底層陣列 → \(SP(I)=\Theta(n)\) -
參考傳遞
const std::vector<int>& v:不複製 → \(SP(I)=\Theta(1)\) -
同理,
std::array<int,N>若以值傳遞亦會複製整個陣列物件。
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C++ 真參考(reference)
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使用
int& x:純參考傳遞,可直接修改呼叫端變數 → \(SP(I)=\Theta(1)\) -
與指標類似,但語法更直觀。
void incrementRef(int& x) { x++; } int main() { int a = 5; incrementRef(a); } -
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C++ 指標傳遞(Call-by-Address)
- 使用指標參數,直接傳入變數位址 → 不複製資料
void increment(int* x) { (*x)++; } int main() { int a = 5; increment(&a); }
Space Complexity
- 總空間需求
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\(c\):程式本身或固定配置所需的常數空間
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\(SP(I)\):變動空間需求(分析時重點)
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變動空間 \(SP(I)\) 包含
- 資料結構本身:動態配置的陣列、物件、鏈結串列、樹⋯⋯
- 參數傳遞
- Call-by-value:值會複製 → 可能需要 \(O(n)\) 空間
- Call-by-address/reference:只傳位址 → \(O(1)\) 空間
- 遞迴呼叫棧:每層呼叫的參數與局部變數都要壓到呼叫棧上
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分析重點
- 忽略常數 \(c\),只看 \(SP(I)\) 隨 \(n\) 增長的量級
- 若無動態結構也不遞迴 → \(SP(I)=O(1)\)
- 若遞迴深度為 \(d\),每層 \(O(1)\) → \(SP(I)=O(d)\)
- 若動態配置長度為 \(n\) 的陣列 → \(SP(I)=O(n)\)
範例
- 純迴圈、無動態配置 \(SP(I) = O(1)\)
void foo(int n) {
int x = 0;
for (int i = 0; i < n; i++) {
x += i;
}
}
- 遞迴計算階乘 \(n ⇒ SP(I) = O(n)\)
int fact(int n) {
if (n <= 1) return 1;
return n * fact(n - 1);
}
- call-by-address(reference) \(SP(I) = O(1)\) vs. call-by-value \(SP(I) = O(n)\)
void bar(int A[], int n);
void bar(int B[], int n) {
int* copy = new int[n];
// ...
}
Asymptotic notation
Definition
- \(g(n)\) 是指一個基準還數有可能是\(nlog(n)\) 或是 \(log(n)\)的基準
- \(O(g(n)) = \{ f(n) \mid \exists\, c > 0,\, \exists\, n_0 > 0,\, \forall n \ge n_0,\ 0 \le f(n) \le c \cdot g(n) \}\)
- 表示某個函數 \(f(n)\) 增長速度「最多不會超過」**某個基準函數 \(g(n)\) 的常數倍,當 \(n \ge n_0\) 時就一直成立。
- 可使為上界。
- \(o(g(n))= \{ f(n) \mid \exists\, c > 0,\, \exists\, n_0 > 0,\, \forall n \ge n_0,\ 0 \le f(n) \lt c \cdot g(n) \}\)
- 嚴格上屆
- \(\Omega(g(n)) = \{ f(n) \mid \exists\, c > 0,\, \exists\, n_0 > 0,\ \forall n \ge n_0,\ f(n) \ge c \cdot g(n) \}\) 2. 表示某個函數 \(f(n)\) 增長速度「會超過」某個基準函數 \(g(n)\)的長數倍數,當 \(n \ge n_0\) 時就一直成立。 3. 可視為下界。
- \(\omega(g(n))=\{ f(n) \mid \exists\, c > 0,\, \exists\, n_0 > 0,\ \forall n \ge n_0,\ f(n) \gt c \cdot g(n) \}\)
- 嚴格下界
- \(\Theta(g(n)) = \{ f(n) \mid \exists\, c_1 > 0,\, \exists\, c_2 > 0,\, \exists\, n_0 > 0,\ \forall n \ge n_0,\ c_1 \cdot g(n) \le f(n) \le c_2 \cdot g(n) \}\)
- 表示 \(f(n)\) 的增長速度恰好等同於 \(g(n)\),也就是它上下都被 \(g(n)\) 的常數倍包住。
- 可是為中間上下界都有。
- ❗️如果 \(f(n) \lt g(n)\),不代表 \(f(n)\) 的 growth order 比 \(g(n)\) 的 growth order 小是不正確的
- ❗️如果兩個 asymptotic natations 相加取大的那個
Attribute
| Asymptotic notation | 屬性 | 說明 |
|---|---|---|
| \(\Theta, \Omega, O, o, \omega\) | 遞移性(Transitivity) | 若 \(f\) 與 \(g\) 風格相同,且 \(g\) 與 \(h\) 也相同,那麼 \(f\) 與 \(h\) 也相同。 \(\Theta, \Omega, O, o, \omega\) 都有這個性質。 |
| \(\Theta, \Omega, O\) | 返身性(Reflexivity) | 函數必然和自己相同階。 \(\Theta,\Omega, O\) 滿足\(f=\Theta f、f=\Omega f、f=Of\)。 但 \(o、\omega\) 因為是「嚴格」關係(\(f=og\) 不允許 \(f=\omega g\)),不具返身性。 |
| \(\Theta\) | 對稱性(Symmetry) | 若 \(f\) 同階於 \(g\),則 \(g\) 也同階於 \(f\)。 只有 \(\Theta\) 有「完全對稱性」。 |
| \(\Omega, O, o, \omega\) | 變換對稱性(Transpose Symmetry) | 這是一種「換位也成立」的弱對稱──例如 \(f=O(g)\) 等價於 \(g=\Omega(f)\) \(f=o(g)\) 等價於 \(g=\omega(f)\) 這四種符號都具備這個互換關係。 |
Trichotomy
漸進符號關係 不 滿足三分律:對任意兩個函數 \(f, g\),不一定 存在且僅存在下列三種之一:
- 不可比(Incomparable):有時既不是 \(f=O(g)\),也不是 \(g=O(f)\)。
- 範例:令l
由於 \(1+\sin n\) 在 \([0,2]\) 間震盪,無法統一找到常數 \(c,n_0\) 使其中一邊恆成立,故這對函數不可比。
Limit Asymptotic Theorem
| 值 (L) | 關係 | 結論 |
|---|---|---|
| \(0\) | 嚴格上界,\(f\) 成長遠慢於 \(g\) | \(f(n) = o(g(n))\) |
| \(C \in (0,\infty)\) | 精確階,\(f\) 成長剛好等同 \(g\) | \(f(n) = \Theta(g(n))\) |
| \(\infty\) | 嚴格下界,\(f\) 成長遠快於 \(g\) | \(f(n) = \omega(g(n))\) |
- 範例
- 根據極限定理,得到 $f(n)=o(g(n))$
- 範例:\(f(n)=3n^2-100n+6\) 屬於 \(\omega(n)\) {106 中原資工}
- 範例:\((n + a)^b\) 是否屬於 \(\Theta(n^{b})\),且 b 是一個 real constants {106 中原資工}
- 實際上 $(n + a)^b = \Theta(n^b) \quad\Longrightarrow\quad True$。
Log Method
- \(log(f(n)) = o(log(g(n)) 可保證 f(n) = o(g(n))\)
- \(log(f(n)) = \omega(log(g(n)) 可保證 f(n)=\omega(g(n))\)
- 但不保證 \(\log f(n)=\Theta(log \ g(n))\)
各種等價證明
等價 of O, Ω and Θ
- 複雜度小不代表每一個 n 的時候就會比較少的執行時間
- 也不能給 n 一個數值,說某個演算法比另一個快,因為有可能 n 不夠大
Big-O 運算的封閉性(加法 & 乘法)
- \(f(n) = O(s(n)) \wedge g(n) = O(r(n)) \Rightarrow f(n) + g(n) = O(s(n)+r(n))\) 『特性 1.2』
- \(f(n) = O(s(n)) \wedge g(n) = O(r(n)) \Rightarrow f(n) \cdot g(n) = O(s(n) \cdot r(n))\) 『特性 1.2』
- \(f(n) = O(g(n)) \Rightarrow f(n) + g(n) = O(g(n))\) 『特性 1.3』
複雜度計算
Stirling’s Formula
或更精確帶誤差項:
Growth rate (fast to slow)
| 函數 (Function) | 級距 (Category) | 證明? |
|---|---|---|
| \(2^{2^n},\;2^{2^{n+1}}\) | 指數 × 指數 (Double Exponential) |
✅ |
| \(n!,\;(n+1)!\) | 階乘 (Factorial) |
✅ |
| \(e^n,\;n\,2^n,\;2^n,\;(3/2)^n\) | 指數 (Exponential) |
✅ |
| \((\lg n)^{\lg n}=n^{\lg\lg n},(\lg n)!\) | 超多項式 (Super polynomial) |
✅ |
| \(n^3,n^2=4^{\lg n},\;n\lg n,\;\lg(n!),\;n=2^{\lg n},\;\sqrt{n}=(\sqrt2)^{\lg n}\) | 多項式 (Polynomial) |
❌ |
| \(\displaystyle\frac{2^{\sqrt{2\,\lg n}}}{\lg^2 n}\) | 次多項式 (Sub polynomial) |
✅ |
| \((\lg n)^k,\;(\ln n)^k\) | 多對數 (Poly-log) |
❌ |
| \(\lg n,\;\ln n,\;\sqrt{\lg n},\;\ln\ln n\) | 對數 (Logarithmic) |
❌ |
| \(\lg^*n,\;\lg^*(\lg n)+1,\;\lg\bigl(\lg^*n\bigr)\) | 迭代對數 (Iterated Logarithm) |
✅ |
| \(n^{1/\lg n}=2,\;1\) | 常數 (Constant) |
❌ |
- Prove \((\lg n)!\)
**證明意義**:由
可得
- **Prove \(n^{1/\lg n}=2\)
Prove \(\log(n!) = \Theta(n\log n)\)
簡單來說就是 \(O\) 是利用每一項都最小於 \(\Omega\) 利用數列的後半段當作原本函數的下界,再利用每一項都大於最小項求得。
- 範例:Let \(T(n) = 1 + \frac12 + \frac13 + \cdots + \frac1n\) and assume \(T(n)=\Theta(f(n))\). Derive the simplest formula for \(f(n)\).
Recursive Time function
展開帶入法
考慮遞迴
對 \(T(n)\) 連續展開 \(k\) 次:
令 \(k=n-1\),則 \(T(n-k)=T(1)=1\),得到
Master Theorem
Master Theorem 就是一種 直接求解 以下形式遞迴關係的工具:
它特別 適用於 分治(Divide & Conquer)演算法,因為這類演算法通常會把一個大小為 \(n\) 的問題,切成 \(a\) 個大小約為 \(n/b\) 的子問題,然後再做額外的合併工作 \(f(n)\),這邊的 \(b\) 只有 \(\gt\) 的原因是因為他是切割幾個子問題那麼就需要只寫 \(\gt\),不然就沒有切割問題了,主要比較的是 \(n^{\log_b a}\) 和 \(f(n)\) 在比較。
-
下圖為解釋 \(n\log_b a\) 由來
- case 1 : if \(f(n) = O(n^{log_b a-\varepsilon}), \varepsilon \gt 0 \Rightarrow \theta(n^{log_b a})\)
- case 2 : if \(f(n) = O(n^{log_b a}) \Rightarrow \theta(n^{log_b a}\lg n)\)
- case 3 : if \(f(n) = \Omega(n^{log_b a+\varepsilon}), \varepsilon \gt 0 \ and \ af(n/b) \le cf(n), 0 \gt c \gt 1,\forall n \Rightarrow T(n)=\Theta(f(n))\)
Extended Master Theorem
何時用
形:\(T(n)=a,T(n/b)+f(n)\),其中 \(a,b\) 為常數、\(b>1\)。
**擴充版(k 版)**用在:\(f(n)\) 與臨界 \(n^{\log_b a}\) 只差一個對數因子 \((\log n)^k\)。
三種情況(k 版) 設 \(d=\log_b a\)。若 \(f(n)=\Theta\big(n^{d}\log^{k} n\big)\):
-
\(k>-1\):\(T(n)=\Theta\big(n^{d}\log^{k+1} n\big)\)
-
\(k=-1\):\(T(n)=\Theta\big(n^{d}\log\log n\big)\)
-
\(k<-1\):\(T(n)=\Theta\big(n^{d}\big)\)
口訣:差一個 \(\log^{k}\)。\(k>-1\) 多一個 \(\log\);\(k=-1\) 變 \(\log\log\);\(k<-1\) 不加 \(\log\)。
判斷流程
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算 \(d=\log_b a\)
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把 \(f(n)\) 寫成 \(n^{d}\cdot(\log n)^{k}\) 找出 \(k\)
-
套上面三條結論
範例:
此時 \(a=2\)、\(b=2\),臨界階 \(n^{\log_2 2}=n\),而
對應 \(k=1\)。
原始 Master 定理 嘗試比較的是 \(n^1\) 與 \(n\log n\),可發現 Case 1/2/3 均不符合:
- Case 1 要求 \(n\log n = O(n^{1-\varepsilon})\) → 不成立
- Case 2 要求 \(n\log n = \Theta(n)\) → 不成立
- Case 3 要求 \(n\log n = \Omega(n^{1+\varepsilon})\) → 不成立
故必須使用 Extended Master,代入 \(k=1\) 得
遞迴樹
兩路比例切分的遞迴樹筆記
範例 1:會乘樹高(× \(\log n\))
\(T(n)=T(n/3)+T(2n/3)+n\)
-
第 \(i\) 層所有子問題規模總和仍是 \(n\)
⇒ 該層成本 \(L_i=\Theta(n)\)(層層相同) -
樹高 \(\Theta(\log n)\)
⇒ 總成本 \(=\Theta(n)\times\Theta(\log n)=\boxed{\Theta(n\log n)}\)
ASCII Tree
Level 0: [ size n | cost n ] ⇒ total ≈ n
/ \
Level 1: [ n/3 | cost n/3 ] [ 2n/3 | cost 2n/3 ] ⇒ total ≈ n
/ \ / \
Level 2: [n/9|n/9][2n/9|2n/9] [2n/9|2n/9][4n/9|4n/9] ⇒ total ≈ n
...(持續 1/3 與 2/3 切分,所有子問題規模總和仍為 n)...
Level h: 子問題規模總和 ≈ n,節點成本相加仍 ≈ n ⇒ total ≈ n
樹高 \(h=\Theta(\log n)\)。總成本 \(\sum_{i=0}^{h} n=\Theta(n\log n)\)。
範例 2:不會乘樹高(葉層主導)
\(T(n)=T(n/3)+T(2n/3)+1\)
- 每層成本是「節點數」;葉子數量 \(\Theta(n)\) ⇒ 總成本被葉層主導,\(\boxed{\Theta(n)}\)(沒有多一個 \(\log n\))
ASCII Tree
Level 0: [ size n | cost 1 ] ⇒ total = 1
/ \
Level 1: [ n/3 | cost 1 ] [ 2n/3 | cost 1 ] ⇒ total = 2
/ \ / \
Level 2: [n/9|1][2n/9|1] [2n/9|1][4n/9|1] ⇒ total = 4
...(每層節點數翻倍;每節點成本固定為 1)...
Level h: 節點數 ≈ 2^h,直到子問題規模到常數;葉子總數 ≈ Θ(n)
各層總成本形成:\(1,2,4,\dots\) 直到葉層總和 ≈ \(\Theta(n)\)。總成本 \(\Theta(n)\)。
介於兩者之間(作對照)
\(T(n)=T(n/3)+T(2n/3)+\dfrac{n}{\log n}\)
- 第 \(i\) 層成本 \(L_i\approx \dfrac{n}{\log n - O(i)}\)
⇒ 逐層相加得到 \(\Theta(n\log\log n)\)(乘的是 \(\log\log n\),不是 \(\log n\))
一句話結論
是否要「乘樹高」取決於各層總成本是否近乎常數級(如 \(\Theta(n)\))。
同層總成本平坦 ⇒ 乘樹高;往下遞減 ⇒ 根層主導;往下遞增 ⇒ 葉層主導。