求解时间复杂度递归式


(一)主定理

对于$$T(N)=a*T(N/b)+\Theta(N^d)$$
\(T(1)\)为常数,有

1.$\log_b a>d ⇒ \(复杂度为 \)\Theta(N^{\log_b a})$

2.$\log_b a=d ⇒ \(复杂度为 \)\Theta(N^d* \log N)$

3.$\log_b a<d ⇒ \(复杂度为 \)\Theta(N^d)$

加强版

以下 \(O(N)\) 为复杂度上界, \(\Theta(N)\) 为复杂度确界, \(\Omega(N)\) 为复杂度下界。

对于$$T(N)=a*T(N/b)+f(N)$$
\(T(1)\)为常数,有

1.$f(N)=O(N^d),\log_b a>d ⇒ \(复杂度为 \)\Theta(N^{\log_b a})$

2.$f(N)=\Theta (N^d \log^k n),k\geq 0,\log_b a=d ⇒ \(复杂度为 \)\Theta(N^d \log^{k+1} N)$

3.$f(N)=\Omega (N^d),\log_b a<d ⇒ \(复杂度为 \)\Theta(N^d)$

例题

(以下\(T(1)\)都为常数)

1. 设某算法时间复杂度可表示为\(T(n)=9T(n/3)+n^2\),求该算法时间复杂度。

解:

由题意得:$$a=9$$$$b=3$$$$d=2$$
所以$$\log_ba=\log_39=2=d$$
所以是第二种情况,复杂度为\(\Theta(n^2\log n)\)

2. 设某算法时间复杂度可表示为\(T(n)=T(2n/3)+n\),求该算法时间复杂度。

解:

由题意得:$$a=1$$$$b=\frac{3}{2}$$$$d=1$$
所以$$\log_ba=\log_{\frac{3}{2}}1=0<d=1$$
所以是第三种情况,复杂度为\(\Theta(n)\)

3. 设某算法时间复杂度可表示为\(T(n)=3T(\sqrt n)+\log n\),求该算法时间复杂度。

解:

\(T(n)=3T(n^{\frac{1}{2}})+\log n\)

\(<=>T(2^n)=3T(2^{\frac{n}{2}})+n\)

\(t(n)=T(2^n)\),则\(t(n)=3t(n/2)+n\)

由题意得:$$a=3$$$$b=2$$$$d=1$$
所以$$\log_ba=\log_23≈1.58>d=1$$
所以是第三种情况,\(t(n)\)的复杂度为\(O(n^{\log_23})\)
所以\(T(n)\)的复杂度为\(\Theta(\log(n^{\log_23}))\)

4. 设某算法时间复杂度可表示为\(T(n)=2T(n/5)+\log n\),求该算法时间复杂度。

解:

易得\(\log n\)的一个上界是\(\Theta(n^k)(0<k<\log_5 2)\),那么是第一种情况,\(T(n)\)的复杂度为\(\Theta(n^{\log_5 2})\)


(二)递归树

考虑递归式$$T(n)=2T(n/2)+n^2$$
可将其化为$$T(n)=T(n/2)+T(n/2)+n^2$$
于是可以画一棵递归树,对于一个节点,节点的值为非函数项,再将式中每一个函数项向下迭代,式中有几个函数项,递归树就是几叉树,且有\(\log n\)层,把每一行所有节点的和写在右边,如下图所示。

然后,右边所有数之和(一个含\(n\)的表达式)即为该式的复杂度。

如图,该图中右边所有数之和为$$(1+\frac{1}{2}+(\frac{1}{2})^2+(\frac{1}{2})^3+...)* n^2=2n^2$$

所以,\(T(n)=T(n/2)+T(n/2)+n^2\)的时间复杂度为\(\Theta(n^2)\)

例题

1. 计算递归式\(T(n)=T(n/3)+T(2n/3)+n\)的复杂度。

解:

递归树如下图所示

右边所有数之和为$$(\log_{\frac{3}{2}}n+1)*n$$

所以,\(T(n)\)的时间复杂度为\(\Theta(n\log n)\)


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