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<audio id="audio" title="27 | 递归树：如何借助树来求解递归算法的时间复杂度？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/fa/46/fa697c966301e83f6e68e478e69de846.mp3"></audio>
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今天，我们来讲这种数据结构的一种特殊应用，递归树。
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我们都知道，递归代码的时间复杂度分析起来很麻烦。我们在[第12节《排序（下）》](https://time.geekbang.org/column/article/41913)那里讲过，如何利用递推公式，求解归并排序、快速排序的时间复杂度，但是，有些情况，比如快排的平均时间复杂度的分析，用递推公式的话，会涉及非常复杂的数学推导。
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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**。
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## 递归树与时间复杂度分析
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我们前面讲过，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。
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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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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/1d/a3/1d9648b7f43e430473d76d24803159a3.jpg" alt="">
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通过这个例子，你对递归树的样子应该有个感性的认识了，看起来并不复杂。现在，我们就来看，**如何用递归树来求解时间复杂度**。
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归并排序算法你还记得吧？它的递归实现代码非常简洁。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。
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归并排序的原理我就不详细介绍了，如果你忘记了，可以回看一下第12节的内容。归并排序每次会将数据规模一分为二。我们把归并排序画成递归树，就是下面这个样子：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/c6/d0/c66bfc3d02d3b7b8f64c208bf4c948d0.jpg" alt="">
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因为每次分解都是一分为二，所以代价很低，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$n$。
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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$O(n*h)$。
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从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$\log_{2}n$，所以，归并排序递归实现的时间复杂度就是$O(n\log n)$。我这里的时间复杂度都是估算的，对树的高度的计算也没有那么精确，但是这并不影响复杂度的计算结果。
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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。
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## 实战一：分析快速排序的时间复杂度
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在用递归树推导之前，我们先来回忆一下用递推公式的分析方法。你可以回想一下，当时，我们为什么说用递推公式来求解平均时间复杂度非常复杂？
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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$T(n)=2T(\frac{n}{2})+n$，很容易就能推导出时间复杂度是$O(n\log n)$。但是，我们并不可能每次分区都这么幸运，正好一分为二。
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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$T(n)=T(\frac{n}{10})+T(\frac{9n}{10})+n$。
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这个公式可以推导出时间复杂度，但是推导过程非常复杂。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？**
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我们还是取$k$等于$9$，也就是说，每次分区都很不平均，一个分区是另一个分区的$9$倍。如果我们把递归分解的过程画成递归树，就是下面这个样子：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/44/43/44972a3531dae0b7a0ccc935bc13f243.jpg" alt="">
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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$O(h * n)$。
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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？
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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$\frac{1}{10}$，最长的一个路径每次都乘以$\frac{9}{10}$。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$\log_{10}n$，最长的路径是$\log_{\frac{10}{9}}n$。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/7c/ed/7cea8607f0d92a901f3152341830d6ed.jpg" alt="">
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所以，遍历数据的个数总和就介于$n\log_{10}n$和$n\log_{\frac{10}{9}}n$之间。根据复杂度的大O表示法，对数复杂度的底数不管是多少，我们统一写成$\log n$，所以，当分区大小比例是$1:9$时，快速排序的时间复杂度仍然是$O(n\log n)$。
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刚刚我们假设$k=9$，那如果$k=99$，也就是说，每次分区极其不平均，两个区间大小是$1:99$，这个时候的时间复杂度是多少呢？
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我们可以类比上面$k=9$的分析过程。当$k=99$的时候，树的最短路径就是$\log_{100}n$，最长路径是$\log_{\frac{100}{99}}n$，所以总遍历数据个数介于$n\log_{100}n$和$n\log_{\frac{100}{99}}n$之间。尽管底数变了，但是时间复杂度也仍然是$O(n\log n)$。
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也就是说，对于$k$等于$9$，$99$，甚至是$999$，$9999$……，只要$k$的值不随$n$变化，是一个事先确定的常量，那快排的时间复杂度就是$O(n\log n)$。所以，从概率论的角度来说，快排的平均时间复杂度就是$O(n\log n)$。
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## 实战二：分析斐波那契数列的时间复杂度
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在递归那一节中，我们举了一个跨台阶的例子，你还记得吗？那个例子实际上就是一个斐波那契数列。为了方便你回忆，我把它的代码实现贴在这里。
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int f(int n) {
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if (n == 1) return 1;
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if (n == 2) return 2;
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return f(n-1) + f(n-2);
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}
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```
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这样一段代码的时间复杂度是多少呢？你可以先试着分析一下，然后再来看，我是怎么利用递归树来分析的。
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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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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/9c/ce/9ccbce1a70c7e2def52701dcf176a4ce.jpg" alt="">
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这棵递归树的高度是多少呢？
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$f(n)$分解为$f(n-1)$和$f(n-2)$，每次数据规模都是$-1$或者$-2$，叶子节点的数据规模是$1$或者$2$。所以，从根节点走到叶子节点，每条路径是长短不一的。如果每次都是$-1$，那最长路径大约就是$n$；如果每次都是$-2$，那最短路径大约就是$\frac{n}{2}$。
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每次分解之后的合并操作只需要一次加法运算，我们把这次加法运算的时间消耗记作$1$。所以，从上往下，第一层的总时间消耗是$1$，第二层的总时间消耗是$2$，第三层的总时间消耗就是$2^{2}$。依次类推，第$k$层的时间消耗就是$2^{k-1}$，那整个算法的总的时间消耗就是每一层时间消耗之和。
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如果路径长度都为$n$，那这个总和就是$2^{n}-1$。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/86/1f/86d301fc5fa3088383fa5b45f01e4d1f.jpg" alt="">
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如果路径长度都是$\frac{n}{2}$ ，那整个算法的总的时间消耗就是$2^{\frac{n}{2}}-1$。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/55/d4/55fcb1570dfa09e457cdb93ba58777d4.jpg" alt="">
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所以，这个算法的时间复杂度就介于$O(2^{n})$和$O(2^{\frac{n}{2}})$之间。虽然这样得到的结果还不够精确，只是一个范围，但是我们也基本上知道了上面算法的时间复杂度是指数级的，非常高。
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## 实战三：分析全排列的时间复杂度
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前面两个复杂度分析都比较简单，我们再来看个稍微复杂的。
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我们在高中的时候都学过排列组合。“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。
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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：
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1, 2, 3
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1, 3, 2
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2, 1, 3
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2, 3, 1
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3, 1, 2
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3, 2, 1
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```
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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。
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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。
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如果我们把它写成递推公式，就是下面这个样子：
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```
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假设数组中存储的是1，2， 3...n。
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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)}。
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```
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如果我们把递推公式改写成代码，就是下面这个样子：
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// 调用方式：
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// int[]a = a={1, 2, 3, 4}; printPermutations(a, 4, 4);
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// k表示要处理的子数组的数据个数
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public void printPermutations(int[] data, int n, int k) {
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if (k == 1) {
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for (int i = 0; i < n; ++i) {
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System.out.print(data[i] + " ");
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}
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System.out.println();
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}
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for (int i = 0; i < k; ++i) {
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int tmp = data[i];
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data[i] = data[k-1];
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data[k-1] = tmp;
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printPermutations(data, n, k - 1);
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tmp = data[i];
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data[i] = data[k-1];
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data[k-1] = tmp;
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}
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}
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如果不用我前面讲的递归树分析方法，这个递归代码的时间复杂度会比较难分析。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。
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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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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/82/9b/82f40bed489cf29b14192b44decf059b.jpg" alt="">
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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$n*(n-1)*(n-2)$。
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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。
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n + n*(n-1) + n*(n-1)*(n-2) +... + n*(n-1)*(n-2)*...*2*1
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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。
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这里我稍微说下，掌握分析的方法很重要，思路是重点，不要纠结于精确的时间复杂度到底是多少。
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## 内容小结
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今天，我们用递归树分析了递归代码的时间复杂度。加上我们在排序那一节讲到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。
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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。
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时间复杂度分析的理论知识并不多，也不复杂，掌握起来也不难，但是，在我们平时的工作、学习中，面对的代码千差万别，能够灵活应用学到的复杂度分析方法，来分析现有的代码，并不是件简单的事情，所以，你平时要多实战、多分析，只有这样，面对任何代码的时间复杂度分析，你才能做到游刃有余、毫不畏惧。
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## 课后思考
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$1$个细胞的生命周期是$3$小时，$1$小时分裂一次。求$n$小时后，容器内有多少细胞？请你用已经学过的递归时间复杂度的分析方法，分析一下这个递归问题的时间复杂度。
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欢迎留言和我分享，我会第一时间给你反馈。
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