Поиск сложных частей алгоритма

Обычно наиболее сложным является выполнение циклов и вызовов процедур. В предыдущем примере, весь алгоритм заключен в двух циклах.

============4

Если процедура вызывает другую процедуру, необходимо учитывать сложность вызываемой процедуры. Если в ней выполняется фиксированное число инструкций, например, осуществляется вывод на печать, то при оценке порядка сложности ее можно не учитывать. С другой стороны, если в вызываемой процедуре выполняется O(N) шагов, она может вносить значительный вклад в сложность алгоритма. Если вызов процедуры осуществляется внутри цикла, этот вклад может быть еще больше.

Приведем в качестве примера программу, содержащую медленную процедуру Slow со сложностью порядка O(N³) и быструю процедуру Fast со сложностью порядка O(N²). Сложность всей программы будет зависеть от соотношения между этими двумя процедурами.

Если процедура Slow вызывается в каждом цикле процедуры Fast, порядки сложности процедур перемножаются. В этом случае сложность алгоритма равна произведению O(N²) и O(N³) или O(N³*N²)=O(N⁵). Приведем иллюстрирующий этот случай фрагмент кода:

Sub Slow()

Dim I As Integer

Dim J As Integer

Dim K As Integer

For I = 1 To N

For J = 1 To N

For K = 1 To N

' Выполнить какие‑либо действия.

Next K

Next J

Next I

End Sub

Sub Fast()

Dim I As Integer

Dim J As Integer

Dim K As Integer

For I = 1 To N

For J = 1 To N

Slow ' Вызов процедуры Slow.

Next J

Next I

End Sub

Sub MainProgram()

Fast

End Sub

С другой стороны, если процедуры независимо вызываются из основной программы, их вычислительная сложность суммируется. В этом случае полная сложность будет равна O(N³)+O(N²)=O(N³). Такую сложность, например, будет иметь следующий фрагмент кода:

Sub Slow()

Dim I As Integer

Dim J As Integer

Dim K As Integer

For I = 1 To N

For J = 1 To N

For K = 1 To N

' Выполнить какие‑либо действия.

Next K

Next J

Next I

End Sub

Sub Fast()

Dim I As Integer

Dim J As Integer

For I = 1 To N

For J = 1 To N

' Выполнить какие‑либо действия.

Next J

Next I

End Sub

Sub MainProgram()

Slow

Fast

End Sub

==============5

Сложность рекурсивных алгоритмов

Рекурсивными процедурами (recursive procedure) называются процедуры, вызывающие сами себя. Во многих рекурсивных алгоритмах именно степень вложенности рекурсии определяет сложность алгоритма, при этом не всегда легко оценить порядок сложности. Рекурсивная процедура может выглядеть простой, но при этом вносить большой вклад в сложность программы, многократно вызывая саму себя.

Следующий фрагмент кода содержит подпрограмму всего из двух операторов. Тем не менее, для заданного N подпрограмма выполняется N раз, таким образом, вычислительная сложность фрагмента порядка O(N).

Sub CountDown(N As Integer)

If N <= 0 Then Exit Sub

CountDown N - 1

End Sub

===========6

Многократная рекурсия

Рекурсивный алгоритм, вызывающий себя несколько раз, является примером многократной рекурсии (multiple recursion). Процедуры с множественной рекурсией сложнее анализировать, чем просто рекурсивные алгоритмы, и они могут давать больший вклад в общую сложность алгоритма.

Нижеприведенная подпрограмма похожа на предыдущую подпрограмму CountDown, только она вызывает саму себя дважды:

Sub DoubleCountDown(N As Integer)

If N <= 0 Then Exit Sub

DoubleCountDown N - 1

DoubleCountDown N - 1

End Sub

Можно было бы предположить, что время выполнения этой процедуры будет в два раза больше, чем для подпрограммы CountDown, и оценить ее сложность порядка 2*O(N)=O(N). На самом деле ситуация немного сложнее.

Если T(N) — число раз, которое выполняется процедура DoubleCountDown с параметром N, то легко заметить, что T(0)=1. Если вызвать процедуру с параметром N равным 0, то она просто закончит свою работу после первого шага.

Для больших значений N процедура вызывает себя дважды с параметром, равным N-1, выполняясь 1+2*T(N-1) раз. В табл. 1.1 приведены некоторые значения функции T(0)=1 и T(N)=1+2*T(N-1). Если обратить внимание на эти значения, можно увидеть, что T(N)=2^(N+1)-1, что дает оценку сложности процедуры порядка O(2^N). Хотя процедуры CountDown и DoubleCountDown и похожи, вторая процедура требует выполнения гораздо большего числа шагов.

@Таблица 1.1. Значения функции времени выполнения для подпрограммы DoubleCountDown