C语言 如何用递归的方法得到O(log n)的幂函数a^n?

gdx19jrr  于 2023-05-22  发布在  其他
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下面,代码的目的是计算整数的幂。我的朋友告诉我,这个算法的时间复杂度是O(log n)。但是,实际上函数调用的次数并不等于logn。例如,power(2,9)调用power函数5次(包括调用power(2,9)),而power(2,8)调用power函数4次(包括调用power(2,8))。然而,8和9所需的位数是相同的,函数调用的数量是不同的。
为什么会发生这种情况?时间复杂度O(log n)

#include <stdio.h>                                                                                    
int power(int a, int n) {
  if(n == 0) {
    return 1;
  }

  if(n == 1) {
    return a;
  }
  if (n%2 == 0) {
    return power(a*a, n/2);
  }else{
    return a * power(a, n - 1);
  }
}

int main() {
  for (int i = 0; i < 15; i++)
    printf("pow(%d, %d) = %d\n", 2, i, power(2, i));

  return 0;
}
ars1skjm

ars1skjm1#

你的实现是O(logN)的,但它可以稍微更有效。
注意,在下文中,对数是以2为底的对数。
您有log(n)次power(a*a,n/2)调用,以及对 n 中设置的每个位的power(a, n-1)调用。
n 中设置的位数至多为log(n)+1。
因此,对power的调用次数至多为log(n)+log(n)+1。例如,当 n = 15时,调用序列为

power(15), power(14), power(7), power(6), power(3), power(2), power(1)

log(n)+log(n)+1 = 3+3+1 = 7
下面是一个更高效的实现,它只有log(n)+2次power调用。

int power(int a, int n) {
  if(n == 0) {
    return 1;
  }
  if (n&1 == 0) {
    return power(a*a, n/2);
  }else{
    return a * power(a*a, n/2);
  }
}

在这种情况下,当 n = 15时的调用序列是

power(15), power(7), power(3), power(1), power(0)

我删除了if (n == 1)条件,因为我们可以通过添加一个对power的调用来避免执行log(n)时间的测试。
然后我们有log(n)+2次调用,这比2log(n)+1次调用要好。

68bkxrlz

68bkxrlz2#

算法保持O(lgN)的原因是,即使对于奇数情况具有额外的调用,因为额外调用的数量由常数限制。在最坏的情况下,N/2 在每次迭代时都是奇数,但这只会使额外调用的数量加倍(常数为2)。也就是说,在最坏的情况下,将有21 g N 个调用来完成算法。
为了更容易地观察到算法是0(lgN),您可以重写函数以始终在每次迭代时将功率减少一半,使得在最坏情况下,仅存在lgN 调用。为了利用尾部递归,可以添加一个函数参数来累加奇数 N 的进位乘数。

int power_i (int a, unsigned N, int c) {
    if (N == 0) return c;
    return power_i(a*a, N/2, N%2 ? a*c : c);
}

int power (int a, unsigned N) {
    return power_i(a, N, 1);
}

尾递归的优点是优化后的代码将被大多数现代C编译器转换为简单的循环。
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ehxuflar

ehxuflar3#

幂函数有两种基本情况:n = 0和n = 1。
幂函数有两个递归调用。在任何给定的调用中,只进行其中一个。
让我们首先考虑当n是偶数时的情况:在这种情况下,使用n / 2进行递归调用。
如果所有调用都使用这种情况,那么你在每个调用中将n减半,直到达到1。这实际上是log(n)调用(基本情况下加1)。
另一种情况是,当n是奇数时,n只减1。如果所有的调用最终都使用这个递归调用,那么这个函数将被调用n次;显然不是对数而是线性的。

但是当你从奇数中减去1时会发生什么?它变成了一个偶数。因此,上述令人担忧的线性行为不会发生。

最差情况为:n是奇数,因此使用第二递归调用。现在n是偶数,因此第一次递归调用。现在n是奇数,这个使用第二,…以此类推,直到n为1。在这种情况下,每第二次调用将n减少到n / 2。因此,您需要2 * log(n)调用(再加上一个基本情况)。
所以是的,这是在O(log(n))中。这个算法通常被称为binary exponentiation

pxiryf3j

pxiryf3j4#

这是另一种表示法:

long double xpow(long double a, int b ) {
    double ret = 1;
        while (b) {
            if (b & 1)
                ret = ret  * a ;
            a = a * a ;
            b >>= 1;
        }
     return ret;
}

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