数据结构与算法之美学习笔记：27 | 递归树：如何借助树来求解递归算法的时间复杂度？

本文介绍: 本节课程思维导图：今天，我们来讲这种数据结构的一种特殊应用，递归树。我们都知道，递归代码的时间复杂度分析起来很麻烦。除了用递推公式这种比较复杂的分析方法，有没有更简单的方法呢？今天，我们就来学习另外一种方法，借助递归树来分析递归算法的时间复杂度。

前言

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本节课程思维导图：

今天，我们来讲这种数据结构的一种特殊应用，递归树。
我们都知道，递归代码的时间复杂度分析起来很麻烦。除了用递推公式这种比较复杂的分析方法，有没有更简单的方法呢？今天，我们就来学习另外一种方法，借助递归树来分析递归算法的时间复杂度。

递归树与时间复杂度分析

递归的思想就是，将大问题分解为小问题来求解，然后再将小问题分解为小小问题。这样一层一层地分解，直到问题的数据规模被分解得足够小，不用继续递归分解为止。
如果我们把这个一层一层的分解过程画成图，它其实就是一棵树。我们给这棵树起一个名字，叫作递归树。我这里画了一棵斐波那契数列的递归树，你可以看看。节点里的数字表示数据的规模，一个节点的求解可以分解为左右子节点两个问题的求解。
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在，我们就来看，如何用递归树来求解时间复杂度。现在我们就借助归并排序来看看，如何用递归树，来分析递归代码的时间复杂度。

因为每次分解都是一分为二，我们把时间上的消耗记作常量 1。归并算法中比较耗时的是归并操作，也就是把两个子数组合并为大数组。从图中我们可以看出，每一层归并操作消耗的时间总和是一样的，跟要排序的数据规模有关。我们把每一层归并操作消耗的时间记作 n。

现在，我们只需要知道这棵树的高度 h，用高度 h 乘以每一层的时间消耗 n，就可以得到总的时间复杂度 O(n∗h)。

归并排序的原理和递归树，可以看出来，归并排序递归树是一棵满二叉树。我们前两节中讲到，满二叉树的高度大约是 log2n，所以，归并排序递归实现的时间复杂度就是 O(n log n)。

利用递归树的时间复杂度分析方法并不难理解，关键还是在实战，所以，接下来我会通过三个实际的递归算法，带你实战一下递归的复杂度分析。学完这节课之后，你应该能真正掌握递归代码的复杂度分析。

实战一：分析快速 排序的时间复杂度

快速排序在最好情况下，每次分区都能一分为二，这个时候用递推公式 T(n)=2T(2n)+n，很容易就能推导出时间复杂度是 O(n lo gn)。
我们假设平均情况下，每次分区之后，两个分区的大小比例为 1:k。当 k=9 时，如果用递推公式的方法来求解时间复杂度的话，递推公式就写成：
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那我们来看看，用递归树来分析快速排序的平均情况时间复杂度，是不是比较简单呢？

快速排序的过程中，每次分区都要遍历待分区区间的所有数据，所以，每一层分区操作所遍历的数据的个数之和就是 n。我们现在只要求出递归树的高度 h，这个快排过程遍历的数据个数就是 h∗n ，也就是说，时间复杂度就是 O(h∗n)。
因为每次分区并不是均匀地一分为二，所以递归树并不是满二叉树。这样一个递归树的高度是多少呢？
我们知道，快速排序结束的条件就是待排序的小区间，大小为 1，也就是说叶子节点里的数据规模是 1。从根节点 n 到叶子节点 1，递归树中最短的一个路径每次都乘以 1/10，最长的一个路径每次都乘以 9/10。
通过计算，我们可以得到，从根节点到叶子节点的最短路径是

log

⁡

log_{10} n

$l o g_{10} n$ ，最长的路径是

log

⁡

log_{10/9} n

$l o g_{10/9} n$ 。
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实战二：分析斐波 那契 数列的时间复杂度

int f(int n) {
  if (n == 1) return 1;
  if (n == 2) return 2;
  return f(n-1) + f(n-2);
}

我们先把上面的递归代码画成递归树，就是下面这个样子：
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这棵递归树的高度是多少呢？

如果路径长度都为 n，那这个总和就是

−

2^n−1

$2^{n} - 1$ 。
如果路径长度都是 n /2，那整个算法的总的时间消耗就是

−

2^{n/2}−1

$2^{n /2} - 1$

实战三：分析全排列的时间复杂度

“如何把 n 个数据的所有排列都找出来”，这就是全排列的问题。我来举个例子。比如，1，2，3 这样 3 个数据，有下面这几种不同的排列：

1, 2, 3
1, 3, 2
2, 1, 3
2, 3, 1
3, 1, 2
3, 2, 1

如何编程打印一组数据的所有排列呢？这里就可以用递归来实现。如果我们确定了最后一位数据，那就变成了求解剩下 n−1 个数据的排列问题。而最后一位数据可以是 n 个数据中的任意一个，因此它的取值就有 n 种情况。所以，“n 个数据的排列”问题，就可以分解成 n 个“n−1 个数据的排列”的子问题。
递推公式：

假设数组中存储的是1，2， 3...n。
        
f(1,2,...n) = {最后一位是1, f(n-1)} + {最后一位是2, f(n-1)} +...+{最后一位是n, f(n-1)}。

如果我们把递推公式改写成代码，就是下面这个样子：

// 调用方式：
// int[]a = a={1, 2, 3, 4}; printPermutations(a, 4, 4);
// k表示要处理的子数组的数据个数
public void printPermutations(int[] data, int n, int k) {
  if (k == 1) {
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
      System.out.print(data[i] + " ");
    }
    System.out.println();
  }

  for (int i = 0; i < k; ++i) {
    int tmp = data[i];
    data[i] = data[k-1];
    data[k-1] = tmp;

    printPermutations(data, n, k - 1);

    tmp = data[i];
    data[i] = data[k-1];
    data[k-1] = tmp;
  }
}

现在，我们来看下，如何借助递归树，轻松分析出这个代码的时间复杂度。首先，我们还是画出递归树。不过，现在的递归树已经不是标准的二叉树了。
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第一层分解有 n 次交换操作，第二层有 n 个节点，每个节点分解需要 n−1 次交换，所以第二层总的交换次数是 n∗(n−1)。第三层有 n∗(n−1) 个节点，每个节点分解需要 n−2 次交换，所以第三层总的交换次数是 n∗(n−1)∗(n−2)。以此类推，第 k 层总的交换次数就是 n∗(n−1)∗(n−2)∗…∗(n−k+1)。最后一层的交换次数就是 n∗(n−1)∗(n−2)∗…∗2∗1。每一层的交换次数之和就是总的交换次数。

n + n*(n-1) + n*(n-1)*(n-2) +... + n*(n-1)*(n-2)*...*2*1

这个公式的求和比较复杂，我们看最后一个数，n∗(n−1)∗(n−2)∗…∗2∗1 等于 n!，而前面的 n−1 个数都小于最后一个数，所以，总和肯定小于 n∗n!，也就是说，全排列的递归算法的时间复杂度大于 O(n!)，小于 O(n∗n!)，虽然我们没法知道非常精确的时间复杂度，但是这样一个范围已经让我们知道，全排列的时间复杂度是非常高的。

内容 小结

今天，我们用递归树分析了递归代码的时间复杂度。加上之前的递推公式的时间复杂度分析方法，我们现在已经学习了两种递归代码的时间复杂度分析方法了。
有些代码比较适合用递推公式来分析，比如归并排序的时间复杂度、快速排序的最好情况时间复杂度；有些比较适合采用递归树来分析，比如快速排序的平均时间复杂度。而有些可能两个都不怎么适合使用，比如二叉树的递归前中后序遍历。