算法导论第 3 章:函数的增长

主要内容

本章讲解如何简化算法的渐近分析,介绍了几类渐近记号。最后简单介绍了常用函数的性质。本章的内容在这里描述得非常简略,但为了保持整个系列的完整性,还是贴出来了。

渐近记号

本章介绍了如下渐近记号,它们的严格定义分别如下:

  1. 若,则存在正常量、和,使得对所有,有
  2. 若,则存在正常量和,使得对所有,有
  3. 若,则存在正常量和,使得对所有,有
  4. 若,则对任意,存在常量,使得对所有,有
  5. 若,则对任意,存在常量,使得对所有,有

为了更形象地理解本节介绍的几种渐近记号,可以在两个函数的渐近比较和两个实数的比较之间做一种类比:

  • 类似于
  • 类似于
  • 类似于
  • 类似于
  • 类似于

标准记号与常用函数

本节主要讲解了常用的数学函数和记号,涉及到高中数学和基础微积分的知识。

习题解答

练习题

3.1-1 解答:即需证明存在正常数,和,使得当时有:

由于和均是渐近非负函数,所以存在,使得当时,有和。令

则

所以有

又有

所以存在,和满足条件,得证。

3.1-2 解答:即需证明存在正常数,和,使得当时有:

即

当时,幂函数在上单调递增。下面根据的符号分情况讨论:

  1. 当时,令,则有,即,根据幂函数的单调性,上式成立;
  2. 当时,,令,则有,即,根据幂函数的单调性,上式成立。

所以得证。

3.1-3 解答:因为符号没有提供一个下界。

3.1-4 解答:成立,不成立。

3.1-5 解答:要证明的公式是:

根据数列极限的定义,对任意,存在自然数使得当时,有。

根据的定义,对任意正常量,存在,使得对所有,有,即,取,,得证。

3.1-6 解答:记号提供了一个渐近上界,记号提供了渐近下界,所以为。严格证明略。

3.1-7 解答:类似于和不可能同时成立。

3.1-8 解答:,则存在正常量, 和,使得对所有的或,有

,则存在正常量,,和,使得对所有的或,有

3.2-1 解答:按照单调性的定义即可证明,略。

3.2-2 解答:由公式得:

得证。

3.2-3 解答:要证明的(3.19)式为,借助斯特林近似公式,证明如下:

要证明,证明即可,代入斯特林近似公式即得证。

要证明,证明即可。令,则:

当时,,当时,,所以,所以的极限为。

3.2-6 解答:根据黄金分割率的定义有:,即满足方程,得证。

3.2-7 解答:归纳法的步骤如下:

  1. 初始情况时,,时,,符合
  2. 证明当和成立,时也成立,代入公式,符合

即可得证。