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Im Folgenden wird die Landau Symbolik zur Aufwandsabschätzung numerischer Algorithmen verwendet. Die betrachteten Algorithmen hängen von der Problemgröße n ab. Beispielsweise ist n die Zahl der  zu  sortierenden  Objekte  in  einer  Liste.  Die  Laufzeit  der  Algorithmen  ist  durch  die  Abbildung f: ℕ → ℝ⁺ mit f(n) = an gegeben. Zeige


(a) für f(n) = 2n2 + 3n + 4  ist f(n) = O(n2), n → ∞

(b) für f(n) = sin(n2) ist f(n) = O(n), n → ∞

(c) für f(n) = (n2)/(ln(n)) ist f(n) = O(n2), n → ∞

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Die Definition der O-Notation lautet ja in etwa so:

Es sei \(g: \mathbb{N}\rightarrow \mathbb{R}\). Dann ist

$$ \mathcal{O}(g):=\{f:\mathbb{N}\rightarrow \mathbb{R}:\exists \alpha>0 \ \exists n \in \mathbb{N} \ \forall n\geq n_0:0\leq f(n) \leq \alpha \cdot g(n)  \} $$

die Menge aller Funktion f, die bis auf eine Konstante \(\alpha>0\) höchstens so schnell wächst wie g.

Zu a). Du musst also ein \(\alpha>0 \) und ein \(n_0\in \mathbb{N}\) so angeben, sodass nachweislich für alle \(n\geq n_0\) diese Abschätzung gilt: \(0\leq f(n) \leq \alpha \cdot g(n)\), konkreter hier: \(0\leq 2n^2+3n+4 \leq \alpha \cdot n^2\)  (*).

Um jetzt an diese beiden Werte ranzukommen, kannst du das (gerade bei Polynomen) schön sukzessive nachoben abschätzen:

\(0\stackrel{n\geq 0}{\leq} 2n^2+3n+4\stackrel{n\geq 4}{\leq}2n^2+3n+n=2n^2+4n=4\Big(\frac{1}{2}n^2+n\Big)\stackrel{n\geq 4}{\leq} 4\Big(\frac{1}{2}n^2+\frac{1}{2}n^2\Big)=4n^2\)

 sodass mit einem \(\alpha=4>0\) und einem \(n_0=4\) die Abschätzung (*) gilt und damit \(f\in \mathcal{O}(n^2)\) gilt.


EDIT:

Bei b) und c) könntest du auch zb vollständige Induktion benutzen. Aber da solltest du dir vorher ein ,,passendes" \(\alpha>0\) und ein \(n_0\in \mathbb{N}\) ausgewählt haben.

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Vielen Dank, das hilft mir schon mal sehr. Ich hätte dazu noch kleine Fragen.


ist hier g(n) = nweil f(n) = O(n2)

und ich habe folgendes nicht verstanden


0 ≤ 2n2 + 3n + 4 ≤ 2n2 +3n + n


wieso schätze ich für die 4 ein n? Könnte n nicht theoretisch eine Zahl sein, die kleiner als 4 ist? Woher weiß ich, dass ich das hier so machen kann?

ist hier g(n) = n2  weil f(n) = O(n2)

Ja, wobei es eher unschön ist f(n)=O(n^2) zu schreiben. O(n^2) ist ja eine MENGE von Funktionen (!), welche alle Funktionen enthält die bs auf eine Konstante >0 höchstens quadratisch wachsen. f ist aber bei dir eine Funktion (Element!). Daher würde ich stattdessen die Schreibweise f(n)∈O(n^2) vorziehen, weil es einfach konsistenter ist; indem man nicht aufeinmal zwei Begriffe in einen Topf schmeißt.

0 ≤ 2n2 + 3n + 4 ≤ 2n2 +3n + n

Schau nochmal genau hin, was ich über die ≤ Zeichen geschrieben habe. Ansonsten nutze ich die Transitivitätseigenschaft für die Relation ,,≤" aus.

die Bemerkungen über dem ,,≤"  habe ich gesehen. Heißt das einfach "unser n welches wir jetzt betrachten, ist größer oder gleich 4" ?


Also kann ich einfach sagen, dass wir alle n die kleiner als 4 sind, in diesem Fall nicht beachten, wenn wir abschätzen?

die Bemerkungen über dem ,,≤"  habe ich gesehen. Heißt das einfach "unser n welches wir jetzt betrachten, ist größer oder gleich 4" ?

Richtig

Also kann ich einfach sagen, dass wir alle n die kleiner als 4 sind, in diesem Fall nicht beachten, wenn wir abschätzen?

Richtig. Aber vorsicht! Du musst dann auch für den späteren Verlauf deiner Abschätzungskette das am größten verwendete n benutzen, weil sonst deine Abschätzungen dazwischen teilweise nicht mehr gehen. Es kann zb wie bei meiner Abschätzung vorkommen, dass n=0 erstmal klappt, aber für spätere vielleicht nicht mehr. Aber im Umkehrschluss klappen dann die vorherigen Abschätzungen auch mit dem größtem n, was verwendet wurde.

Vielen Dank,

woher weiß ich generell, wie ich abschätzen muss? Warum ist für b und c zB. Induktion am besten geeignet? 

Bei a) hätte man auch Induktion machen können, wenn an denn schon genau weiß, wie \(\alpha>0\) und \(n_0\in \mathbb{N}\) gewählt sein müssen. Wenn du die nämlich weißt, dann hast du schonmal deine Aussage vereinfache können zu:,, Mit einem \(\alpha>0\) gilt für alle \(n\geq n_0\): \(0\leq f(n)\leq \alpha\cdot g(n)\). Und das schreit doch schon nach Induktion, da hier die Aussage für alle n (ab n_0) gezeigt werden muss.

Bei b) reicht es sogar einfach mal nur die Eigenschaft vom Sinus auszunutzen.

Hallo entschuldigensie,

ich bearbeite genau dieselbe Aufgabe - deswegen gehe ich davon aus, dass wir beide das gleiche Modul an der selben Uni hören. Du kannst mir ja mal schreiben, falls Du zusammen arbeiten möchtest.


Gruß

wusstestduschon

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