Introduction to Algorithms, Third Edition


polylogarithmically bounded



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Introduction-to-algorithms-3rd-edition

polylogarithmically bounded
if
f .n/
D
O.
lg
k
n/
for some constant
k
. We can relate the growth of polynomials and polylogarithms
by substituting lg
n
for
n
and
2
a
for
a
in equation (3.10), yielding
lim
n
!1
lg
b
n
.2
a
/
lg
n
D
lim
n
!1
lg
b
n
n
a
D
0 :
From this limit, we can conclude that
lg
b
n
D
o.n
a
/
for any constant
a > 0
. Thus, any positive polynomial function grows faster than
any polylogarithmic function.
Factorials
The notation

(read “
n
factorial”) is defined for integers
n
0
as

D
(
1
if
n
D
0 ;
n
.n
1/Š
if
n > 0 :
Thus,

D
1
2
3
n
.
A weak upper bound on the factorial function is

n
n
, since each of the
n
terms in the factorial product is at most
n
.
Stirling’s approximation
,

D
p
2 n
n
e
n
1
C

1
n
;
(3.18)


58
Chapter 3
Growth of Functions
where
e
is the base of the natural logarithm, gives us a tighter upper bound, and a
lower bound as well. As Exercise 3.2-3 asks you to prove,

D
o.n
n
/ ;

D
!.2
n
/ ;
lg
.nŠ/
D
‚.n
lg
n/ ;
(3.19)
where Stirling’s approximation is helpful in proving equation (3.19). The following
equation also holds for all
n
1
:

D
p
2 n
n
e
n
e
˛
n
(3.20)
where
1
12n
C
1
< ˛
n
<
1
12n
:
(3.21)
Functional iteration
We use the notation
f
.i /
.n/
to denote the function
f .n/
iteratively applied
i
times
to an initial value of
n
. Formally, let
f .n/
be a function over the reals. For non-
negative integers
i
, we recursively define
f
.i /
.n/
D
(
n
if
i
D
0 ;
f .f
.i
1/
.n//
if
i > 0 :
For example, if
f .n/
D
2n
, then
f
.i /
.n/
D
2
i
n
.
The iterated logarithm function
We use the notation lg
n
(read “log star of
n
”) to denote the iterated logarithm, de-
fined as follows. Let lg
.i /
n
be as defined above, with
f .n/
D
lg
n
. Because the log-
arithm of a nonpositive number is undefined, lg
.i /
n
is defined only if lg
.i
1/
n > 0
.
Be sure to distinguish lg
.i /
n
(the logarithm function applied
i
times in succession,
starting with argument
n
) from lg
i
n
(the logarithm of
n
raised to the
i
th power).
Then we define the iterated logarithm function as
lg
n
D
min
˚
i
0
W
lg
.i /
n
1
:
The iterated logarithm is a
very
slowly growing function:
lg
2
D
1 ;
lg
4
D
2 ;
lg
16
D
3 ;
lg
65536
D
4 ;
lg
.2
65536
/
D
5 :


3.2
Standard notations and common functions
59
Since the number of atoms in the observable universe is estimated to be about
10
80
,
which is much less than
2
65536
, we rarely encounter an input size
n
such that
lg
n > 5
.
Fibonacci numbers
We define the
Fibonacci numbers
by the following recurrence:
F
0
D
0 ;
F
1
D
1 ;
(3.22)
F
i
D
F
i
1
C
F
i
2
for
i
2 :
Thus, each Fibonacci number is the sum of the two previous ones, yielding the
sequence
0; 1; 1; 2; 3; 5; 8; 13; 21; 34; 55; : : : :
Fibonacci numbers are related to the
golden ratio
and to its conjugate
y
, which
are the two roots of the equation
x
2
D
x
C
1
(3.23)
and are given by the following formulas (see Exercise 3.2-6):
D
1
C
p
5
2
(3.24)
D
1:61803 : : : ;
y
D
1
p
5
2

:61803 : : : :
Specifically, we have
F
i
D
i
y
i
p
5
;
which we can prove by induction (Exercise 3.2-7). Since
ˇˇ
y
ˇˇ
< 1
, we have
ˇˇ
y
i
ˇˇ
p
5
<
1
p
5
<
1
2
;
which implies that


60
Chapter 3
Growth of Functions
F
i
D
i
p
5
C
1
2
;
(3.25)
which is to say that the
i
th Fibonacci number
F
i
is equal to
i
=
p
5
rounded to the
nearest integer. Thus, Fibonacci numbers grow exponentially.
Exercises
3.2-1
Show that if
f .n/
and
g.n/
are monotonically increasing functions, then so are
the functions
f .n/
C
g.n/
and
f .g.n//
, and if
f .n/
and
g.n/
are in addition
nonnegative, then
f .n/
g.n/
is monotonically increasing.
3.2-2
Prove equation (3.16).
3.2-3
Prove equation (3.19). Also prove that

D
!.2
n
/
and

D
o.n
n
/
.
3.2-4
?
Is the function
d
lg
n
e
Š
polynomially bounded? Is the function
d
lg lg
n
e
Š
polynomi-
ally bounded?
3.2-5
?
Which is asymptotically larger: lg
.
lg
n/
or lg
.
lg
n/
?
3.2-6
Show that the golden ratio
and its conjugate
y
both satisfy the equation
x
2
D
x
C
1
.
3.2-7
Prove by induction that the
i
th Fibonacci number satisfies the equality
F
i
D
i
y
i
p
5
;
where
is the golden ratio and
y
is its conjugate.
3.2-8
Show that
k
ln
k
D
‚.n/
implies
k
D
‚.n=
ln
n/
.


Problems for Chapter 3
61
Problems
3-1
Asymptotic behavior of polynomials
Let
p.n/
D
d
X
i
D
0
a
i
n
i
;
where
a
d
> 0
, be a degree-
d
polynomial in
n
, and let
k
be a constant. Use the
definitions of the asymptotic notations to prove the following properties.
a.
If
k
d
, then
p.n/
D
O.n
k
/
.
b.
If
k
d
, then
p.n/
D
.n
k
/
.
c.
If
k
D
d
, then
p.n/
D
‚.n
k
/
.
d.
If
k > d
, then
p.n/
D
o.n
k
/
.
e.
If
k < d
, then
p.n/
D
!.n
k
/
.
3-2
Relative asymptotic growths
Indicate, for each pair of expressions
.A; B/
in the table below, whether
A
is
O
,
o
,
,
!
, or

of
B
. Assume that
k
1
,
> 0
, and
c > 1
are constants. Your answer
should be in the form of the table with “yes” or “no” written in each box.
A
B
O
o
!

a.
lg
k
n
n
b.
n
k
c
n
c.
p
n
n
sin
n
d.
2
n
2
n=2
e.
n
lg
c
c
lg
n
f.
lg
.nŠ/
lg
.n
n
/
3-3
Ordering by asymptotic growth rates
a.
Rank the following functions by order of growth; that is, find an arrangement
g
1
; g
2
; : : : ; g
30
of the functions satisfying
g
1
D
.g
2
/
,
g
2
D
.g
3
/
, . . . ,
g
29
D
.g
30
/
. Partition your list into equivalence classes such that functions
f .n/
and
g.n/
are in the same class if and only if
f .n/
D
‚.g.n//
.


62
Chapter 3
Growth of Functions
lg
.
lg
n/
2
lg
n
.
p
2/
lg
n
n
2

.
lg
n/Š
.
3
2
/
n
n
3
lg
2
n
lg
.nŠ/
2
2
n
n
1=
lg
n
ln ln
n
lg
n
n
2
n
n
lg lg
n
ln
n
1
2
lg
n
.
lg
n/
lg
n
e
n
4
lg
n
.n
C
1/Š
p
lg
n
lg
.
lg
n/
2
p
2
lg
n
n
2
n
n
lg
n
2
2
n
C
1
b.
Give an example of a single nonnegative function
f .n/
such that for all func-
tions
g
i
.n/
in part (a),
f .n/
is neither
O.g
i
.n//
nor
.g
i
.n//
.
3-4
Asymptotic notation properties
Let
f .n/
and
g.n/
be asymptotically positive functions. Prove or disprove each of
the following conjectures.
a.
f .n/
D
O.g.n//
implies
g.n/
D
O.f .n//
.
b.
f .n/
C
g.n/
D
‚.
min
.f .n/; g.n///
.
c.
f .n/
D
O.g.n//
implies lg
.f .n//
D
O.
lg
.g.n///
, where lg
.g.n//
1
and
f .n/
1
for all sufficiently large
n
.
d.
f .n/
D
O.g.n//
implies
2
f .n/
D
O
2
g.n/
.
e.
f .n/
D
O ..f .n//
2
/
.
f.
f .n/
D
O.g.n//
implies
g.n/
D
.f .n//
.
g.
f .n/
D
‚.f .n=2//
.
h.
f .n/
C
o.f .n//
D
‚.f .n//
.
3-5
Variations on
O
and
˝
Some authors define
in a slightly different way than we do; let’s use
1
(read
“omega infinity”) for this alternative definition. We say that
f .n/
D
1
.g.n//
if
there exists a positive constant
c
such that
f .n/
cg.n/
0
for infinitely many
integers
n
.
a.
Show that for any two functions
f .n/
and
g.n/
that are asymptotically nonneg-
ative, either
f .n/
D
O.g.n//
or
f .n/
D
1
.g.n//
or both, whereas this is not
true if we use
in place of
1
.


Problems for Chapter 3
63
b.
Describe the potential advantages and disadvantages of using
1
instead of
to
characterize the running times of programs.
Some authors also define
O
in a slightly different manner; let’s use
O
0
for the
alternative definition. We say that
f .n/
D
O
0
.g.n//
if and only if
j
f .n/
j D
O.g.n//
.
c.
What happens to each direction of the “if and only if” in Theorem 3.1 if we
substitute
O
0
for
O
but still use
?
Some authors define
e
O
(read “soft-oh”) to mean
O
with logarithmic factors ig-
nored:
e
O.g.n//
D f
f .n/
W
there exist positive constants
c
,
k
, and
n
0
such that
0
f .n/
cg.n/
lg
k
.n/
for all
n
n
0
g
:

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steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
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loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
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fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
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