Asymptoottinen suoritusaika

Wikipedia

Asymptoottinen suoritusaika kuvaa algoritmin suoritusajan rajoja suhteessa algoritmin käsittelemän tietojoukon kokoon. Tietojoukon koon kasvaessa algoritmin suoritusaika lähestyy, mutta ei koskaan ylitä tai alita, asymptoottista rajaa. Ajan yksikkönä käytetään yhtä algoritmin suorittamaa askelta. Esimerkiksi hyvin sekoitettu korttipakka, jossa on N korttia voidaan järjestää arvojärjestykseen käymällä pakka läpi korkeintaan N kertaa (N=korttien lukumäärä) ja jos havaitaan vierekkäiset kortit väärässä järjestyksessä, vaihdetaan näiden paikkaa (kuplalajittelu). Tällöin korttipakan järjestämisen asymptoottinen ylärajan sanotaan olevan O(n²). Jos korttipakka on jo järjestyksessä, se havaitaan käymällä kaikki kortit läpi, mistä saadaan asymptoottiseksi alarajaksi Θ(n).

Puhtaan matematiikan ja mekaanisen laskennan välillä on useita eroja, joista yksi on monien matematiikan funktioiden asymptoottinen luonne. Mikäli näitä funktioita pyritään ratkaisemaan alkeisoperaatioiden avulla, laskenta-aika venyy. Piin desimaalien laskenta on tästä yksi esimerkki. Käytännössä usein riittää kuvata yhtälö yksinkertaisemmassa muodossa, koska käsiteltävien desimaalien määrä monissa järjestelmissä (esim. talous-) on rajoitettu. Alla on matemaattinen kuvaus riittävällä tarkkuudella ratkeavasta funktiosta.

Funktioiden kasvunopeudesta käytetään useita eri merkintätapoja. Käsittelen tässä niistä yleisimmät, eli
- Theta-notaatio(Θ) - aidosti alhaalta ja ylhäältä rajoitettu.
- Ordo-notaatio(Ο) - aidosti ylhäältä rajoitettu.

Lisäksi vielä vähemmän käytetty merkintätapa:
- ω-notaatio – aidosti alhaalta rajoitettu, joka tarkoittaa lyhyesti Suoritukseen kuluu vähintään näin monta alkeisoperaatiota, mutta se voi kuluttaa enemmänkin

[muokkaa] Ordo-notaatio

Matemaattinen merkitys:
Ο(g(n)) = {f(n) | 0 <= f(n) <= c₂g(n) kaikilla n >= n₀}
missä c₂ on jokin positiivinen reaaliluku ja n₀ on jokin luonnollinen luku.

Merkitään, että f(n) = Ο(g(n)).

Ordo-merkintä kuvastaa pahinta mahdollista tapausta. Se rajoittaa ylhäältä päin aidosti algoritmin suoritusaikaa. Esimerkiksi, pikalajittelu toimii nopeimmin jos alkiot ovat syötteessä mahdollisimman sekaisin. Lisäyslajittelu toimii nopeimmin jos alkiot ovat jo järjestyksessä, ja hitaimmin jos käänteisessä järjestyksessä. Ordo-notaatiolla jätetään syötteen aiheuttama suoritusajan vaihtelu huomiotta, ja keskitytään vain pahimpaan mahdolliseen tapaukseen, jolloin lajittelu kestää eniten aikaa.
Ordo-notaatiolla siis ilmoitetaan:
Suoritukseen kuluu maksimissaan näin monta alkeisoperaatiota syötteestä riippumatta, mutta se voi valmistua vähemmälläkin

[muokkaa] Theta-notaatio

Matemaattinen merkitys:
Θ(g(n)) = {f(n) | 0 <= c₁*g(n) <= f(n) <= c₂g(n) kaikilla n >= n₀}
missä c₁,c₂ on jokin positiivinen reaaliluku ja n₀ on jokin luonnollinen luku.

f(n) on jokin Θ(g(n)):ään sisältyvä funktio, toisin sanoen: on olemassa sellaiset vakiot c₁,c₂ että f(n) on jossain välillä c₁*g(n)..c₂*g(n), silloin kun n kasvaa riittävän suureksi.

Θ(g(n)) on siis itse asiassa funktioiden joukko.

Theta-merkintä kertoo sekä hitaimman että nopeimman suoritusajan. Toisin sanoen, algoritmin toimiessa Θ(n²) -ajassa, se Ordo-notaation perusteellakin toimii Ο(n²) -ajassa. Mutta, jos algoritmi toimii Ο(n²) ajassa, siitä ei välittömästi seuraa, että algoritmi toimisi Θ(n²) -ajassa, sillä Θ(f(n)) sisältää Ο(f(n)):n mutta Ο(f(n)) ei sisällä Θ(f(n)):aa.

Theta-notaatiolla siis ilmoitetaan:
Tarvittavien alkeisoperaatioiden määrä on aina tällä välillä syötteestä riippumatta

[muokkaa] Esimerkki

Osoitetaan että 12n⁸ != Θ(n⁷).

Väite:
12n⁸ != Θ(n⁷)
Vastaväite:
12n⁸ = Θ(n⁷)
Tällöin pitää löytyä sellaiset c₂ ja n₀ että:
12n⁸ <= c₂n⁷ kaikilla n >= n₀
Mutta tällöinhän:
12n²<= c₂ kaikilla n >= n₀

Josta nähdään, että alkuperäinen väite on tosi 12n⁸ != Θ(n⁷).

Samalla periaatteella voidaan todistaa, että 12n⁷ = Θ(n⁸) on tosi.