演算法的衡量

A. 衡量演算法的方法

衡量一個演算法的好壞，可以從演算法的正確性、健壯性、可讀性和效率上進行分析：

（1）迭代：級數求和
（2）遞歸：遞歸跟蹤 + 遞歸方程式
（3）猜測 + 驗證

筆記出處：《清華大學-鄧俊輝MOOC數據結構與演算法全套》

B. 如何衡量一個演算法的快慢

如何衡量一個演算法的快慢
用具體的操作數來衡量

當我們說衡量一個演算法的快慢時，我們是希望找到一種方便的統一標准，使得對於同一個演算法，我們的衡量標准不會受到一些不重要的因素影響而保持一致；對於不同的演算法，我們能夠比較它們的優劣並在實際的應用中進行選擇。

一個自然的想法是測量這個演算法運行所需要的時間，然後選擇跑得快的演算法。但是不同的機器運行的速度是不一樣的，一個同樣的演算法在不同機器上測出來的時間可能非常不同。而且，每次想要知道一個演算法的快慢如果都要在機器上通過計時來測量的話，是一件非常痛苦的事情，因為有些演算法可能一次要跑上一天，一個月，甚至一個世紀。

一個有效的替代方法是通過計算一個演算法用了多少次操作（或者說運算量）來衡量它運行的快慢，比如用了多少次加減法，乘除法，函數調用和賦值等操作。操作數越多，運行的所需要的時間就越多。這樣的一種想法保證了我們對演算法的衡量不會因為測試環境的變化而變化，也不用通過實際運行來測量，只需通過計算就能得到操作數的數量。

用函數來衡量

僅僅計算操作數的一個問題是：一個固定的演算法，針對不同的輸入規模，它所需要的操作數量是不一樣的。比如一個排序的演算法，排100個數字和排10000個數字相比，排10000個數字所需要的運算量會大很多。也就是，操作數是隨輸入規模變化的一個函數。

所以，我們假如輸入規模是n，那麼操作數就是f(n)。有時候，輸入規模不只有一個，比如關於一個矩陣的演算法需要的操作數，可能和矩陣的長和寬都有關系，這時候，ff就變成了一個關於長和寬的二元函數，比如f(w,h)。這種擴展是合理的，但是為了討論方便，我們先只考慮規模只是一個變數n的情況。

C. 衡量演算法性能優劣的標准

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衡量演算法性能優劣的標準是時間復雜度、空間復雜度、正確性、可讀性、健壯性。

演算法的時間復雜度是指執行演算法所需要的計算工作量。一般來說，計算機演算法是問題規模n的函數f(n)，演算法的時間復雜度也因此記做。空間復雜度是指演算法需要消耗的內存空間。其計算和表示方法與時間復雜度類似，一般都用復雜度的漸近性來表示。同時間復雜度相比，空間復雜度的分析要簡單得多。

演算法是指解題方案的准確而完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，演算法代表著用系統的方法描述解決問題的策略機制。也就是說，能夠對一定規范的輸入，在有限時間內獲得所要求的輸出。如果一個演算法有缺陷，或不適合於某個問題，執行這個演算法將不會解決這個問題。不同的演算法可能用不同的時間、空間或效率來完成同樣的任務。一個演算法的優劣可以用空間復雜度與時間復雜度來衡量。

D. 演算法的評價指標有哪些

時間復雜度和空間復雜度。

1、時間復雜度

演算法的時間復雜度是指執行演算法所需要的計算工作量。一般來說，計算機演算法是問題規模n 的函數f(n)，演算法的時間復雜度也因此記做。

T(n)=Ο(f(n))

因此，問題的規模n 越大，演算法執行的時間的增長率與f(n) 的增長率正相關，稱作漸進時間復雜度（Asymptotic Time Complexity）。

2、空間復雜度

演算法的空間復雜度是指演算法需要消耗的內存空間。其計算和表示方法與時間復雜度類似，一般都用復雜度的漸近性來表示。同時間復雜度相比，空間復雜度的分析要簡單得多。

空間復雜度記做S(n)=O(f(n))。比如直接插入排序的時間復雜度是O(n^2),空間復雜度是O(1) 。而一般的遞歸演算法就要有O(n)的空間復雜度了，因為每次遞歸都要存儲返回信息。一個演算法的優劣主要從演算法的執行時間和所需要佔用的存儲空間兩個方面衡量。

(4)演算法的衡量擴展閱讀：

演算法的方法：

1、遞推法

遞推是序列計算機中的一種常用演算法。它是按照一定的規律來計算序列中的每個項，通常是通過計算機前面的一些項來得出序列中的指定項的值。其思想是把一個復雜的龐大的計算過程轉化為簡單過程的多次重復，該演算法利用了計算機速度快和不知疲倦的機器特點。

2、遞歸法

程序調用自身的編程技巧稱為遞歸（recursion）。一個過程或函數在其定義或說明中有直接或間接調用自身的一種方法，它通常把一個大型復雜的問題層層轉化為一個與原問題相似的規模較小的問題來求解，遞歸策略只需少量的程序就可描述出解題過程所需要的多次重復計算，大大地減少了程序的代碼量。遞歸的能力在於用有限的語句來定義對象的無限集合。

一般來說，遞歸需要有邊界條件、遞歸前進段和遞歸返回段。當邊界條件不滿足時，遞歸前進；當邊界條件滿足時，遞歸返回。

注意：

(1) 遞歸就是在過程或函數里調用自身.

(2) 在使用遞歸策略時，必須有一個明確的遞歸結束條件，稱為遞歸出口。

E. 一個演算法的評價主要從哪些方面來考慮

一個演算法的評價主要從以下幾個方面來考慮：

1、時間復雜度

演算法的時間復雜度是指執行演算法所需要的計算工作量。一般來說，計算機演算法是問題規模n 的函數f(n)，演算法的時間復雜度也因此記做。

T(n)=Ο(f(n))

因此，問題的規模n 越大，演算法執行的時間的增長率與f(n) 的增長率正相關，稱作漸進時間復雜度（Asymptotic Time Complexity）。

2、空間復雜度

演算法的空間復雜度是指演算法需要消耗的內存空間。其計算和表示方法與時間復雜度類似，一般都用復雜度的漸近性來表示。同時間復雜度相比，空間復雜度的分析要簡單得多。

3、正確性

演算法的正確性是評價一個演算法優劣的最重要的標准。

4、可讀性

演算法的可讀性是指一個演算法可供人們閱讀的容易程度。

5、健壯性

健壯性是指一個演算法對不合理數據輸入的反應能力和處理能力，也稱為容錯性。

(5)演算法的衡量擴展閱讀：

演算法可大致分為基本演算法、數據結構的演算法、數論與代數演算法、計算幾何的演算法、圖論的演算法、動態規劃以及數值分析、加密演算法、排序演算法、檢索演算法、隨機化演算法、並行演算法，厄米變形模型，隨機森林演算法。

演算法可以宏泛的分為三類：

一、有限的，確定性演算法 這類演算法在有限的一段時間內終止。他們可能要花很長時間來執行指定的任務，但仍將在一定的時間內終止。這類演算法得出的結果常取決於輸入值。

二、有限的，非確定演算法 這類演算法在有限的時間內終止。然而，對於一個（或一些）給定的數值，演算法的結果並不是唯一的或確定的。

三、無限的演算法 是那些由於沒有定義終止定義條件，或定義的條件無法由輸入的數據滿足而不終止運行的演算法。通常，無限演算法的產生是由於未能確定的定義終止條件。

F. 衡量演算法好壞的標准

1：時間復雜度：

可以簡單的說就是：大概程序要被執行的次數，而非時間。注意：是次數，不是時間，因為不同機器的性能是不一樣的,不要用計時器在那裡計時誰的更快。當然，如果在同一台電腦上運行計時另說。
Question：怎樣看待一個程序執行的速度是快還是慢？
Answer：要看他里邊最關鍵的運行次數最多的那一個步驟到底執行了幾次，用這個來衡量演算法的時間復雜度

2：空間復雜度：

同樣簡單來說就是：演算法執行過程中大概所佔用的最大的內存。

3：難易程度：

所研究的演算法盡可能讓大家能看懂。

4：健壯性：

簡單來說哦，不要一碰就完不結實

5：正確性：

一定要正確，感覺這一特性說不說都是可以，不正確也不能用，這一切的前提都是以正確為前提的。

G. 如何評價一個演算法的好壞

首先，這個演算法必須是正確的
其次，好的演算法應該是友好的，便於人們理解和交流，並且是機器可執行的。
這個演算法還需要足夠健壯，即當輸入的數據非法或不合理時，也能適當的做出正確的反應或進行相應的處理
最後它還必須擁有高效率和低存儲量要求。
也就是所謂的時間復雜度和空間復雜度

1.時間復雜度

定義:在計算機科學中,演算法的時間復雜度是一個函數,他定量描述了該演算法的運行時間.一個演算法執行所耗費的時間,從理論上講,只有你把你的程序放機器上跑起來,才能知道.然而我們有一套時間復雜度的分析方式.一個演算法所花費的時間與其中語句的執行次數成正比例.演算法中的基本操作的執行次數,為演算法的時間復雜度.

2.時間復雜度為什麼不使用時間來衡量而使用基本語句的運行次數來衡量?

演算法的執行時間依賴於具體的軟硬體環境，所以，不能用執行時間的長短來衡量演算法的時間復雜度，而要通過基本語句執行次數的數量級來衡量。

3.時間復雜度的O漸進表示法(Big O notation)

是用於描述函數漸進行為的數學符號.

大O階方法推導:
計算基本語句的執行次數的數量級;
只需計算基本語句執行次數的數量級，這就意味著只要保證基本語句執行次數的函數中的最高次冪正確即可，可以忽略所有低次冪和最高次冪的系數。這樣能夠簡化演算法分析，並且使注意力集中在最重要的一點上:增長率。
如果演算法中包含嵌套的循環，則基本語句通常是最內層的循環體，如果演算法中包含並列的循環，則將並列循環的時間復雜度相加。例如:

for (i=1; i<=n; i++)
x++;
for (i=1; i<=n; i++)
for (j=1; j<=n; j++)
x++;

第一個for循環的時間復雜度為Ο(n)，第二個for循環的時間復雜度為Ο(n2)，則整個演算法的時間復雜度為Ο(n+n2)=Ο(n2)。

4.時間復雜度的:最優、平均、最差情況，為什麼時間復雜度看的是最差情況?

最差情況下的復雜度是所有可能的輸入數據所消耗的最大資源，如果最差情況下的復雜度符合我們的要求，我們就可以保證所有的情況下都不會有問題。

某些演算法經常遇到最差情況。比如一個查找演算法，經常需要查找一個不存在的值。
也許你覺得平均情況下的復雜度更吸引你，可是平均情況也有幾點問題。第一，難計算，多數演算法的最差情況下的復雜度要比平均情況下的容易計算的多，第二，有很多演算法的平均情況和最差情況的復雜度是一樣的. 第三，什麼才是真正的平均情況?如果你假設所有可能的輸入數據出現的概率是一樣的話，也是不合理的。其實多數情況是不一樣的。而且輸入數據的分布函數很可能是你沒法知道。
考慮最好情況的復雜度更是沒有意義。

5.如何求解:二分查找、遞歸求階乘、遞歸斐波那契的時間復雜度?

二分查找:通過折紙查找求解時間復雜度為O(logN);
遞歸求階乘:數基本操作遞歸N次得到時間復雜度為O(N);
遞歸斐波那契:分析得出基本操作遞歸了2N次,時間復雜度為O(2N);

6.什麼是空間復雜度?

空間復雜度是對一個演算法在運行過程中臨時佔用存儲空間大小的度量.空間復雜度不是程序佔用了多少bytes的空間,因為這個也沒太大意義,所以空間復雜度算的是變數的個數.空間復雜度計算規則基本跟時間復雜度類似,也使用大O漸進法表示.

7.如何求空間復雜度? 普通函數&遞歸函數

一個演算法的空間復雜度只考慮在運行過程中為局部變數分配的存儲空間的大小，它包括為參數表中形參變數分配的存儲空間和為在函數體中定義的局部變數分配的存儲空間兩個部分。若一個演算法為 遞歸演算法，其空間復雜度為遞歸所使用的堆棧空間的大小，它等於一次調用所分配的臨時存儲空間的大小乘以被調用的次數(即為遞歸調用的次數加1，這個1表示開始進行的一次非遞歸調用)。演算法的空間復雜度一般也以數量級的形式給出。如當一個演算法的空間復雜度為一個常量，即不隨被處理數據量n的大小而改變時，可表示為O(1);當一個演算法的空間復雜度與以2為底的n的對數成正比時，可表示為O(log2n);當一個演算法的空間復雜度與n成線性比例關系時，可表示為O(n).若形參為數組，則只需要為它分配一個存儲由實參傳送來的一個地址指針的空間，即一個機器字長空間;若形參為引用方式，則也只需要為其分配存儲一個地址的空間，用它來存儲對應實參變數的地址，以便由系統自動引用實參變數。
8. 分析遞歸斐波那契數列的:時間、空間復雜度，並對其進行優化，偽遞歸優化->循環優化

long long Fib(int N) {
if (N < 3)
return 1;
return Fib(N - 1) + Fib(N - 2);
}

普通遞歸實現的斐波那契數列:
時間復雜度:O(2^n)

計算並根據O漸進表示法得出時間復雜度.

空間復雜度:O(N);遞歸深度乘以(每一次遞歸的空間佔用{有輔助空間或常量})

偽遞歸優化:

long long fib (long long first, longlong second, int N) {
if(N <3)
return 1;
if(N == 3)
return first + second;
return fib(second, first+second,N-1);
}

時間復雜度:
O(N);
遞歸深度乘以每次遞歸的循環次數
空間復雜度:
O(1)或O(N)
關鍵看編譯器是否優化,優化則為O(1)否則O(N);

循環優化:

long long Fib(int N) {
long long first = 1;
long long second = 1;
long long ret = 0;
for (int i = 3; i <= N ; ++i) {
ret = first + second;
first = second;
second = ret;
}
return second;
}

時間復雜度:O(N);

空間復雜度:O(1);

9.常見時間復雜度

常見的演算法時間復雜度由小到大依次為: Ο(1)＜Ο(log2n)＜Ο(n)＜Ο(nlog2n)＜Ο(n2)＜Ο(n3)＜…＜Ο(2n)＜Ο(n!) Ο(1)表示基本語句的執行次數是一個常數，一般來說，只要演算法中不存在循環語句，其時間復雜度就是Ο(1)。Ο(log2n)、Ο(n)、Ο(nlog2n)、Ο(n2)和Ο(n3)稱為多項式時間，而Ο(2n)和Ο(n!)稱為指數時間。

H. 如何衡量一個時間演算法的時間效率

一個演算法執行所耗費的時間，從理論上是不能算出來的，必須上機運行測試才能知道。但我們不可能也沒有必要對每個演算法都上機測試，只需知道哪個演算法花費的時間多，哪個演算法花費的時間少就可以了。

並且一個演算法花費的時間與演算法中語句的執行次數成正比例，哪個演算法中語句執行次數多，它花費時間就多。一個演算法中的語句執行次數稱為語句頻度或時間頻度。記為T(n)。演算法的時間復雜度是指執行演算法所需要的計算工作量。

時間效率，一定生產時間內，機器實際運轉時間與理論運轉時間之比，通常用百分率表示。與設備自動化程度、速度、卷裝尺寸、工人操作熟練程度及看台數有關。

(8)演算法的衡量擴展閱讀：

點在空間中變化對點的描述稱為被描述點相當於該點的時間【該點運動到某一位置時，被描述點都會有唯一的對應位置，稱為此時被描述點的位置】。被描述點可以隨時間變化位置不變，可知時間與被描述點的位置有函數關系。

空間使事物具有了變化性，即因為空間的存在，所以事物才可以發生變化。空間是沒有能量的事物，即當事物能產生變化時，變化產生的能量已經和阻礙的能量相互抵消。

天文測時所依賴的是地球自轉，而地球自轉的不均勻性使得天文方法所得到的時間（世界時）精度只能達到10-9，無法滿足二十世紀中葉社會經濟各方面的需求。一種更為精確和穩定的時間標准應運而生，這就是「原子鍾」。

世界各國都採用原子鍾來產生和保持標准時間，這就是「時間基準」，然後，通過各種手段和媒介將時間信號送達用戶，這些手段包括：短波、長波、電話網、互聯網、衛星等。這一整個工序，就稱為「授時系統」。

I. 評價演算法的四個標準是什麼

評價演算法的四個標准：

1.正確性

能正確地實現預定的功能，滿足具體問題的需要。處理數據使用的演算法是否得當，能不能得到預想的結果。

2.易讀性

易於閱讀、理解和交流，便於調試、修改和擴充。寫出的演算法，能不能讓別人看明白，能不能讓別人明白演算法的邏輯？如果通俗易懂，在系統調試和修改或者功能擴充的時候，使系統維護更為便捷。

3.健壯性

輸入非法數據，演算法也能適當地做出反應後進行處理，不會產生預料不到的運行結果。數據的形式多種多樣，演算法可能面臨著接受各種各樣的數據，當演算法接收到不適合演算法處理的數據，演算法本身該如何處理呢？如果演算法能夠處理異常數據，處理能力越強，健壯性越好。

4.時空性

演算法的時空性是該演算法的時間性能和空間性能。主要是說演算法在執行過程中的時間長短和空間佔用多少問題。

演算法處理數據過程中，不同的演算法耗費的時間和內存空間是不同的。

(9)演算法的衡量擴展閱讀：

演算法是對特定問題求解步驟的一種描述，它是指令的有限序列，其中每一條指令表示一個或多個操作。此外，一個演算法還具有下列5個重要的特性。

（1）、有窮性

一個演算法必須總是（對任何合法的輸入值）在執行有窮步之後結束，且每一步都可在有窮時間內完成。

（2）、確定性

演算法中每一條指令必須有明確的含義，讀者理解時不會產生二義性。即對於相同的輸入只能得到相同的輸出。

（3）、可行性

一個演算法是可行的，即演算法中描述的操作都是可以通過已經實現的基本運算執行有限次來實現的。

（4）、輸入

一個演算法有零個或多個的輸入，這些輸入取自於某個特定的對象的集合。

（5）、輸出

一個演算法有一個或多個的輸出，這些輸出是同輸入有著某種特定關系的量。

J. 如何衡量一個演算法的優劣有哪些標准

如何衡量一個演算法的優劣，見人見智。一個好的演算法首先是要能夠滿足場景的需求，其次是在能夠最大限度的節省資源（最低成本原則），最後是實現邏輯簡單，比較容易理解(本質上也是最低成本原則)。但是，在現實中硬體資源不變，演算法不變情況下，演算法執行的效率提高，相對應往往是資源消耗增加。一個合格的演算法是在一個可以接受的范圍內滿足場景需求，而一個優秀的演算法則是在滿足場景需求的基礎上，最大限度的節省資源，簡化邏輯。

比如我要完成一項計算任務，要求是在5分鍾執行完成。現在有演算法1:需要執行1分鍾，消耗內存8G；演算法2需要執行3分鍾，需要消耗內存256M。那麼，我們應該如何選擇呢？首先，這兩種方案都能滿足我們的需求；其次：演算法1的需要消耗的資源是演算法2的32倍，演算法1的效率是演算法2的3倍。在這種滿足需求的情況下，往往更傾向於選擇演算法2。衡量一個演算法的優劣往往要評估多方因素，結合實踐，綜合比較最終得出結論。

衡量一個演算法的的標准主要有3個： 演算法的執行效率 ， 演算法的內存消耗 和 演算法的穩定性 。