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강의노트 25. 자료구조, 알고리즘 - 성능측정 (Big-O)

20 Apr 2017 |

패스트캠퍼스 컴퓨터공학 입문 수업을 듣고 중요한 내용을 정리했습니다. 개인공부 후 자료를 남기기 위한 목적임으로 내용 상에 오류가 있을 수 있습니다.

성능측정 - Big-O Notation

reference

Big-O Notation

시간복잡도

  • 실행 시간 이라는 관점에서 알고리즘의 효율을 측정한다.
  • 문제를 해결하려고 할 때마다 시간복잡도를 분석하는 습관을 들이면 좋은 개발자가 될 수 있다.
  • 이 때 중요한건 연산자의 숫자 혹은 연산 과정(step)의 수
  • 예를 들어 N이라는 인자가 주어졌을 때, 1부터 N까지를 더하는 함수 sumOfN을 정의한다.
def sumOfN(N):
  theSum = 0
  for i in range(1,N+1):
    theSum += i

  return theSum
  • 함수 sumOfN 에서 주요 연산 횟수를 살펴보면 아래와 같다.
def sumOfN(N):
  theSum = 0 # 1번만 실행된다.
  for i in range(1,N+1):
    theSum += i # N번 수행된다.

  return theSum
  • 함수 sumOfN 의 시간 복잡도는 아래 같이 표시할 수 있다.
    • T(n) = 1 + n
    • 파라미터 n 은 문제의 사이즈를 의미
    • T(n) 은 사이즈가 n 인 문제를 푸는데 걸리는 시간을 의미, 여기서는 즉 1 + n steps를 말한다.

Big-O

  • 그럼 문제의 사이즈 n에 따라서 알고리즘 수행 시간은 어떻게 달라질까?
  • 문제의 사이즈가 커질수록, 최고 차항의 차수가 결과에 가장 많은 영향을 미친다. (상기 예시에서는 1+n 중 n을 의미한다)
  • 이처럼 시간 복잡도에 가장 큰 영향을 미치는 차항으로 시간복잡도를 나타내는 것을 Big-O 표기법 (Big-O Notation) 이라고 하며, O(f(n)) 과 같이 표기한다. (O는 order 라고 읽는다.)
  • 시간 복잡도의 표현 법 중 가장 많이 쓰이는 표현 법으로 알고리즘 실행 시간의 상한을 나타낸 표기법이다. (최악의 효율)  
  • 간단한 Big-O 표기법의 예
T(n)=n^2+2n+9 # O(n2)

T(n)=n^4+n^3+n^2+1 # O(n4)

T(n)=5n^3+3n^2+2n+1 # O(n3)

worst case, average case, best case

  • 문제의 사이즈 보다, 데이터가 무엇이냐가 알고리즘의 성능에 더 영향을 미치기도 한다.
  • Big-O는 대부분 최악의 경우를 표현한다. (quick sort의 경우 예외적으로 average case를(O(N log N)) Big-O로 사용한다.)
def pick5(li):     # li = [5,3,1] 인 경우 1번만 반복
  for i in li:     # li = [1,5] 인 경우 2번 반복
    if i == 5:
      return

Big-O 표기법의 종류와 성능

Big-O 표기법의 종류

스크린샷 2017-04-30 오후 2.45.57

  • O(1) - (상수) Constant
    • 입력되는 데이터양과 상관없이 일정한 실행 시간을 가진다.
    • 알고리즘이 문제를 해결하는데 오직 한 단계만 거친다.
  • O(logN) Logarithmic
    • 데이터양이 많아져도, 시간이 조금씩 늘어난다.
    • 시간에 비례하여, 탐색 가능한 데이터양이 2의 n승이 된다.
    • 문제를 해결하는데 필요한 단계들이 연산마다 특정 요인에 의해 줄어든다.
    • 만약 입력 자료의 수에 따라 실행 시간이 이 log N 의 관계를 만족한다면 N이 증가함에 따라 실행시간이 조금씩 늘어난다. 이 유형은 주로 커다란 문제를 일정한 크기를 갖는 작은 문제로 쪼갤때 나타나는 유형이다.
    • Binary Search
  • O(N) Linear
    • 데이터양에 따라 시간이 정비례한다.
    • linear search, for 문을 통한 탐색을 생각하면 되겠다.
  • O(N log N) log linear
    • 데이터양이 N배 많이 진다면, 실행 시간은 N배 보다 조금더 많아 진다. (정비례 하지 않는다.)
    • 이 유형은 커다란 문제를 독립적인 작은 문제로 쪼개어 각각에 대해 독립적으로 해결하고,나중에 다시 그것들을 하나로 모으는 경우에 나타난다. N이 두배로 늘어나면 실행 시간은 2배보다 약간 더 많이 늘어난다.
    • 퀵소트, 머지소트
  • O(N^2) Quadratic
    • 데이터양에 따라 걸리는 시간은 제곱에 비례한다. (효율이 좋지 않음, 사용하면 안된다)
    • 이 유형은 이중루프내에서 입력 자료를 처리 하는 경우에 나타난다. N값이 큰값이 되면 실행 시간은 감당하지 못할 정도로 커지게 된다.
    • 문제를 해결하기 위한 단계의 수는 입력값 n의 제곱
    • 2중 for 문을 사용하는 버블소트, 삽입정렬(insertion sort)

성능비교

  • 성능 순서 : O(1)<O(logn)<O(n)<O(nlogn)<O(n2)<O(n3)<O(2n) bigo_graph 스크린샷 2017-04-30 오후 2.54.04

실습

big-O 를 계산해보자!

  • 각 연산의 시간 복잡도를 계산하고 최종 시간복잡도를 big-O 로 표시해본다. 
    a=5
b=6
c=10
for i in range(n):
 for j in range(n):
    x = i * i
    y = j * j
    z = i * j
for k in range(n):
 w = a*k + 45
 v = b*b
d = 33
  • 각 연산 횟수를 더하면 시간 복잡도는 아래와 같다
  • T(n) = 3 + 3ㅜㅜn^2 + 2n + 1 = 3n^2 + 2n + 4
  • 이를 Big-O 로 표현하면 O(n^2) 이다. 
    a=5 # Constant 1
b=6 # Constant 1
c=10 # Constant 1
for i in range(n):
 for j in range(n):
    x = i * i # n^2 => for문 중첩 사용
    y = j * j # n^2
    z = i * j # n^2
for k in range(n):
 w = a*k + 45 # n
 v = b*b # n
d = 33 # Constant 1

self check

Write two Python functions to find the minimum number in a list.
The first function should compare each number to every other number on the list. O(n^2).
The second function should be linear O(n)

O(n^2)

# (O^2)
import time
from random import randrange


def findMin(alist):
    overallmin = alist[0]
    for i in alist:
        issmallest = True
        for j in alist: # O(n^2) => for문 중첩
            if i > j:
                issmallest = False
        if issmallest:
            overallmin = i
    return overallmin

# 확인
print(findMin([5,2,1,0]))
print(findMin([0,2,3,4]))

# 연산시간 (O(n^2))
for listSize in range(1000, 10001, 1000):
    alist = [randrange(100000) for _ in range(listSize)]
    start = time.time()
    print(findMin(alist))
    end = time.time()
    print("size: {}, time: {}".format(listSize, end-start))

O(n)


def findMin(alist):
    minsofar = alist[0]
    for i in alist: # O(n) alist의 길이만큼 반복, loop 중첩 없음   
        if i < minsofar:
            minsofar = i
    return minsofar

# 확인
print(findMin([5,2,1,0]))
print(findMin([0,2,3,4]))

# 연산시간 (O(n))
for listSize in range(1000, 10001, 1000):
    alist = [randrange(100000) for _ in range(listSize)]
    start = time.time()
    print(findMin(alist))
    end = time.time()
    print("size: {}, time: {}".format(listSize, end-start))

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