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第3章:搜索、排序和复杂度分析

时间:2018-11-01 22:34:57      阅读:259      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:中间   number   有序   vertica   二分   ges   mbed   ems   统计   

    • 评估算法的性能
      • 评价标准
        • 正确性
        • 可读性和易维护性
        • 运行时间性能
        • 空间性能(内存)
      • 度量算法的运行时间
        • 示例
          • """

            Print the running times for problem sizes that double,

            using a aingle loop

            """

             

            import time

             

            problemSize = 1000000

            print("%12s%16s" % ("Problem Size", "Seconds"))

            for count in range(5):

               

                start = time.time()

                #The start of algorithm

                work = 1

                for x in range(problemSize):

                    work += 1

                    work -= 1

                #The end of algorithm

                elapsed = time.time() - start

               

                print( "%12d%16.3f" %( problemSize,elapsed ) )

                problemSize *= 2

          • 运行结果
            • Problem Size         Seconds

                   1000000           1.065

                   2000000           2.078

                   4000000           4.433

                   8000000           7.733

                  16000000          18.676

        • 测试时间会受到硬件和软件平台的影响
      • 统计指令
        • 一个嵌套循环所执行的迭代次数
        • 示例
          • 嵌套循环
            • #!/usr/bin/env python

              # -*- coding:utf-8 -*-

              # Author:Lijunjie

               

              """

              File: counting.py

              Prints the number of iterations for problem sizes that double,

              using a nested loop.

              """

               

              problemSize = 1000

              print( "%12s%15s" % ( "Problem Size", "Iteration" ) )

               

              for counter in range(5):

                  number = 0

                 

                  #The start of the algorithm

                  work = 1

                  for j in range( problemSize ):

                      for k in range( problemSize ):

                          number += 1

                          work += 1

                          work -= 1

                 

                  #The end of the algorithm

                 

                  print( "%12d%15d" % ( problemSize, number ) )

                  problemSize *= 2

               

            • 结果
              • Problem Size      Iteration

                        1000        1000000

                        2000        4000000

                        4000       16000000

                        8000       64000000

                       16000      256000000

          • Fibonacci数列
            • """

              Print the numbers of calls of a recursive Fibonacci

              function with problem size that double

              """

               

              from counter import Counter

               

              def fibonacci( n, counter ):

                  """Counter the numbers of calls of the fibonacci function."""

                  counter.increment()

                 

                  if n < 3:return 1

                  else: return fibonacci( n - 2, counter ) + fibonacci( n - 1, counter)

                 

               

              problemSize = 2

              print( "%12s%15s" % ( "Problem Size", "Calls" ) )

              for count in range(5):

                  counter = Counter()

                 

                  #The start of the algorithm

                  fibonacci( problemSize, counter )

                  #The end of the algorithm

                  print( "%12d%15s" % ( problemSize, counter ) )

                 

                  problemSize *= 2

            • 结果
              • Problem Size          Calls

                           2              1

                           4              5

                           8             41

                          16           1973

                          32        4356617

        • 可以显示出算法工作量递增或递减的速率,而且独立于硬件和软件平台
      • 度量算法所使用的内存
    • 复杂度分析
      • 表示方法
        • 算法工作量增加的速率,可以用问题规模的函数来表示。
        • 复杂度分析要查看算法的代码,以得出这些表示
        • 这些表达式使得程序员能够预计,在任何计算机上执行一个算法会表现在有多好或多差
      • 复杂度的阶与大O表示法
        • O表示法
          • 使用  O( f(n) ) 表示
            • n 是算法问题的大小,f(n) 是要解决该问题所需工作量的一个表达式
        • 运行时行为常用的表达式
          • 常数阶
            •  技术分享图片
          • 对数阶
            •   技术分享图片
          • 线性阶
            •   技术分享图片
          • 平方阶
            •   技术分享图片
          •  指数阶
            •   技术分享图片
    • 搜索算法
      • 搜索最小值
        • 算法复杂度为 O(n)
      • 顺序搜索一个列表
        • 最好情况
          •  复杂度为 O(1
        • 最坏情况
          • 复杂度为 O(n)
        • 平均情况
          • 平均迭代次数
            • 技术分享图片
          • 复杂度仍为 O(n)
      • 有序列表的二叉搜索( 二分搜索 )
        • 前提条件是列表有序
          • 选用何种算法,取决于列表中数据的组织方式
        • 最坏情况下的复杂:
          • 技术分享图片
      • 比较数据项
        • 二叉搜索与搜索最小项,都是假设列表中的项是可以相互比较的
          • Python中,这意味着这些项具有相同的类型,并且它们都识别比较运算符 ==, < >
          • 为了允许算法对一个新对象的类使用比较运算符 ==, > <,应该在类中定义 __eq____lt____gt__方法,__lt__方法的定义如下:
            • def __lt__( self, other ): 

    • 基本排序算法
      • 选择排序
        • 每一次遍历,先选出最小值,再将其移到指定位置
          • def selectionSort( lyst ):

                """ The selection sort algorithm """

               

                i = 0

                while i < len(lyst) - 1:

                    minIndex = i

                    j = i + 1

                    while j < len(lyst):

                        if lyst[j] < lyst[minIndex]:

                            minIndex = j

                        j += 1

                    if minIndex != i:   #Exchange if needed

                        swap( lyst, i, minIndex )

                    i += 1

        • 复杂度分析
          • 比较次数
            • 技术分享图片
            • 技术分享图片
          • 交换次数
            • 技术分享图片
      • 冒泡排序
        • 每次遍历,把最大项交换到最后
          • def bubbleSort( lyst ):

                n = len( lyst )

                while n > 1:

                    swapped = False

                    i = 1       #start eack bubble

                    while i < n:

                        if lyst[i] < lyst[i-1]:

                            swap( lyst, i, i - 1 )  #exchange if needed

                            swapped = True

                        i += 1

                    if not swapped: return

                    n -= 1

          • 修正:如果一次遍历的过程中,没有发生交换,说明列表己排好序,可以改进在最好情况下的行为,但是不会影响平均复杂度
        • 复杂度
          • 平均情况
            • 技术分享图片
          • 最环情况下,冒泡排序的交换工作超过线性方式
      • 插入排序
        • 相当于排列扑克牌的顺序
          • def insertionSort( lyst ):

                i = 1

                while i < len( lyst ):

                    itemToInsert = lyst[i]

                    j = i - 1

                    while j >= 0:

                        if lyst[j] > itemToInsert:

                            lyst[j+1] = lyst[j]

                            j -= 1

                        else:

                            break

                    lyst[j + 1] = itemToInsert

                    i += 1

        • 复杂度分析
          • 最坏情况
            • 技术分享图片
          • 平均情况
            • 技术分享图片
            • 每次插入,平均到一半就会退出
          • 复杂度
            • 技术分享图片
          • 列表中排好序的项越多,插入排序的效果越好。如果列表是完全有序的,则其复杂度是线性阶的
      • 最好情况,最坏情况和平均情况的性能
        • 有些算法,在最好情况和平均情况下的性能是类似的,但是在最坏的情况下,性能可能下降
    • 更快的排序
      •  排序算法利用递归,分而治之的策略来突破  的限制技术分享图片
      • 快速排序法
        • 围绕基准点项来重新排列各项,并且递归的排序基准点两侧的列表
        • 代码
          • def quicksort( lyst ):

                """ The quicksort algorithm """

                quicksortHelper( lyst, 0, len( lyst ) - 1 )

               

             

            def quicksortHelper( lyst, left, right ):

                """ The quicksort helper function """

                if left < right:

                    pivotLocation = partition( lyst, left, right )

                    quicksortHelper( lyst, left, pivotLocation - 1 )

                    quicksortHelper( lyst, pivotLocation + 1, right )

                   

                   

            def partition( lyst, left, right ):

                """ partition the list with the middle item """

               

                #find the pivot item and exchange it with the last item

                middle = ( left + right ) // 2

                pivot = lyst[middle]

                swap(lyst, middle, right)

                #set boundary point to the first position

                boundary = left

                #move item less than pivot to the left

                for index in range( left, right ):

                    if lyst[index] < pivot:

                        swap( lyst, index, boundary )

                        boundary += 1

                       

                #exchange the pivot item and boundary item, then return the boundary

                swap( lyst, right, boundary )

                return boundary 

        • 复杂度分析
          • 每分一次,大概比较n次,最好情况下,只会分割  次,因此最好情况下的复杂度为:技术分享图片
            • 技术分享图片
          • 如果列表己排序好,而基点位置选的是起始或结束位置,则会分割 n 次,此时复杂度为:
            • 技术分享图片
        • 空间分析
          • 栈的使用
            • 最好情况
              • 技术分享图片
            • 最坏情况
              • 技术分享图片
          • 为了避免最坏情况,选取基准点应避免开始和结束位置
            • 选择一个随机位置
            • 选择列表的中间位置
            • 选择第一个元素、中间元素、和最后元素之间的中位数的位置
      • 合并排序
        • 平均分割一个列表,递归的对每一半列表进行排序,然后合并结果
        • 代码
          • from arrays import Array

             

            def mergeSort( lyst ):

                """The mergeSort algorithm."""

               

                #copyBuffer temporary space needed during merge

                copyBuffer = Array( len( lyst ) )

                mergeSortHelper( lyst, copyBuffer, 0, len( lyst ) - 1 )

               

               

            def mergeSortHelper( lyst, copyBuffer, left, right ):

                """ The helper function of mergeSort algorithm """

               

                if left < right:

                    middle = ( left + right ) // 2

                    mergeSortHelper( lyst, copyBuffer, left, middle )

                    mergeSortHelper( lyst, copyBuffer, middle + 1, right )

                    merge( lyst, copyBuffer, left, middle, right )

                   

                   

            def merge( lyst, copyBuffer, left, middle, right ):

                """ merge two sorted list into a big one """

                #i1:    The start of the sublist1

                #i2:    The start of the sublist2

               

                i1 = left

                i2 = middle + 1

                for i in range( left, right + 1 ):

                    if i1 > middle:

                        copyBuffer[i] = lyst[i2]

                        i2 += 1

                    elif i2 > right:

                        copyBuffer[i] = lyst[i1]

                        i1 += 1

                    elif lyst[i1] < lyst[i2]:

                        copyBuffer[i] = lyst[i1]

                        i1 += 1

                    else:

                        copyBuffer[i] = lyst[i2]

                        i2 += 1

               

                for i in range( left, right + 1 ):

                    lyst[i] = copyBuffer[i]

          • arrays 为自定义的文件,如下:
            • """

              File: arrays.py

               

              An Array is a restricted list whose clients can use

              only [], len, iter, and str.

               

              To instantiate, use

               

              <variable> = array(<capacity>, <optional fill value>)

               

              The fill value is None by default.

              """

               

              class Array(object):

                  """Represents an array."""

               

                  def __init__(self, capacity, fillValue = None):

                      """Capacity is the static size of the array.

                      fillValue is placed at each position."""

                      self._items = list()

                      for count in range(capacity):

                          self._items.append(fillValue)

               

                  def __len__(self):

                      """-> The capacity of the array."""

                      return len(self._items)

               

                  def __str__(self):

                      """-> The string representation of the array."""

                      return str(self._items)

               

                  def __iter__(self):

                      """Supports iteration over a view of an array."""

                      return iter(self._items)

               

                  def __getitem__(self, index):

                      """Subscript operator for access at index."""

                      return self._items[index]

               

                  def __setitem__(self, index, newItem):

                      """Subscript operator for replacement at index."""

                      self._items[index] = newItem

     

    • 复杂度分析
      • 每一层的合并花费为 ,层级数为 技术分享图片
      • 在所有情况下的最大运行时间
        • 技术分享图片
    • 空间分析
      • 调用栈
        •  空间技术分享图片
      • 复制缓存
        •  的空间技术分享图片
    • 指数算法:递归式的 Fibonacci 算法
      • 调用树
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        • 完全平衡树的递归调用次数
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        • 递归式Fibonacci 复杂度— —指数阶
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      • Fibnocci 转换为一个线性算法
        • def fibonacci( n ):

              """ The liner algorithm of fibonacci  """

             

              first = 1

              second = 1

              count = 3

              while count <= n:

                  sum = first + second

                  first = second

                  second = sum

                  count += 1

                 

              return sum 

    • 探查器
      • 需求
        • 编写一个程序,允许程序员探查不同的排序算法
      • 分析
        • 定义一个排序函数,并且在排序算法的函数头中包含一个 Profiler 对象
        • 在排序算法的代码中,涉及统计、统计和交换的地方,用 Profiler 对象运行 comparison() exchange() 方法
        • Profiler 类的接口
          • 探查器方法

            作用

            p.test( function, lyst = None, size = 10, unique = True, comp = Ture, exch = True, trace = False)

            用给定的设置运行Function,并输出结果

            p.comparison()

            自增比较次数

            p.exchange()

            自增交换次数

            p.__str__()

            str(p) 相同

      • 设计
        • 两个模块
          • Profiler 定义了 Profiler
          • Algorithms 定义了用来进行探查的排序函数

     

     

第3章:搜索、排序和复杂度分析

标签:中间   number   有序   vertica   二分   ges   mbed   ems   统计   

原文地址:https://www.cnblogs.com/lijunjie9502/p/9892514.html

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