7. Landau-Symbolik

Voraussetzung: 04 Grenzwert und Konvergenz von Folgen (fast alle , Grenzwerte, ), 05 Monotonie und Beschränktheit (beschränkte Folgen)

Worum geht es?

Landau-Symbole beschreiben, wie schnell eine Folge wächst, ohne sich um Vorfaktoren und kleine zu kümmern. In der Informatik ist das die Sprache der Laufzeitanalyse: „Der Algorithmus ist .“

7.1 Anwendungsbereiche

  1. Laufzeitanalyse von Algorithmen: = Anzahl der Rechenschritte bei Eingabe der Größe , also .
  2. Asymptotisches Verhalten von Folgen , d.h. das Verhalten für .

7.2 Einleitende Beispiele

Wachstumsvergleich (26.10.):

Was ist „wichtig“? (29.10.): Für das Wachstum zählt nur der -Anteil: und wachsen langsamer und werden für große bedeutungslos, die Vorfaktoren ändern nur die Konstante.

Zentrale Einsicht

ist für kleine größer als . Ab dreht sich das um, und das zählt. Wie beim Grenzwert interessiert nur, was für fast alle passiert (alle bis auf endlich viele).


7.3 Die Groß-O-Notation

Definition:

Für eine Folge definiert man die Klasse Das sind alle Folgen, die sich (ab einem , bis auf einen konstanten Faktor ) durch nach oben beschränken lassen.

Bild dazu: Ab liegt immer unter der hochskalierten Kurve . Vor darf machen, was es will. (Skizze: Mitschrift S. 1)

Schreibweise

Statt schreibt man auch gelesen: „ ist groß O von “.

Fallstrick: Das „=“ ist keine Gleichheit

heißt . Es ist nicht symmetrisch: stimmt, aber ist falsch. Lies „“ immer als „ist in“.

7.4 Kriterien über Grenzwerte (K1, K2)

Statt mit und zu hantieren, prüft man meist den Grenzwert des Quotienten:

K1

Ist , dann ist .

K2

Ist , dann ist .

Beweis von K1: Aus folgt . Nach Grenzwertdefinition gilt also (Man kann z.B. nehmen, dann ist .) ∎

Beweis von K2:

  • Vor.: , also , d.h. .
  • Beh.: .
  • Bew.: Zu zeigen ist die Negation der Definition: . Sei und beliebig. Wähle in der Voraussetzung . Dann gilt ab einem für alle : , also . Insbesondere gibt es so ein (nimm ). ∎

Wie man die Negation bildet

Die Definition hat die Form . Mit dem großen De Morgan (siehe GDS: Quantoren) wird daraus . Genau das steht in „Bew. z.z.“.

Ergänzung (nicht aus der Mitschrift)

  • Für die Kriterien braucht man für fast alle , sonst ist der Quotient nicht definiert.
  • K1 geht nur in eine Richtung: Es gibt , bei denen der Grenzwert gar nicht existiert, z.B. und . Der Quotient springt zwischen 1 und 3 hin und her, trotzdem ist .

7.5 Beispiele

AussageBegründung
a) → K1
b) → K1
c) → K1
d) → K2

a) und b) zusammen zeigen: und wachsen „gleich schnell“. Das wird später heißen (7.9).

e) = beschränkte Folgen:

7.6 Rechenregeln (R1–R4)

Rechenregeln

  • R1: Ist und , dann
  • R2: (Konstanten fallen weg)
  • R3: Ist und , dann ist (Transitivität)
  • R4:

Beweis zu R3: Für gelten beide Ungleichungen gleichzeitig, also

Warum ?

Jede Aussage gilt erst „ab ihrem“ . Beide zusammen gelten erst ab dem späteren der beiden. Der Trick kommt in fast jedem Beweis mit „für fast alle “ vor.

Beispiel zu den Regeln: Mit und :

Abweichung zur Mitschrift

In der Mitschrift steht im ersten Schritt . Zu und zum nächsten Schritt passt aber nur . Mit käme heraus, das Endergebnis bliebe trotzdem gleich.

Achtung: Inklusion, keine Gleichheit

Ist , so ist auch , denn . Es gilt aber nicht , denn : . ist eine obere Schranke. Eine zu großzügige obere Schranke ist nicht falsch, nur wenig aussagekräftig.

7.7 Typische Laufzeitklassen

Laufzeit
konstant🙂
logarithmisch ()
linear
überlinear
quadratisch
polynomial
exponentiell☹️

Die Basis des Logarithmus ist egal

Logarithmen zu verschiedenen Basen unterscheiden sich nur um einen konstanten Faktor, und Konstanten fallen nach R2 weg. Deshalb schreibt man meist nur .

Hierarchie: ( fehlt an der Tafel, hier ergänzt. steht für ein festes , die Vereinigung über alle ist „alles Polynomielle“.)

Bezug zu 7.2

Das ist genau die Reihenfolge vom 26.10., jetzt als Mengen-Inklusion formuliert.


7.8 Weitere Landau-Symbole

Definitionen

SymbolDefinitionNameBedeutung
Groß-Omega wächst mindestens so schnell wie (untere Schranke)
Groß-Theta wächst genau so schnell wie (bis auf Konstanten)
Klein-o wächst echt langsamer als
Klein-Omega wächst echt schneller als
„Schlange“ und sind asymptotisch gleich

Bemerkung: Statt , usw. schreibt man wieder , (mit demselben Fallstrick wie bei ).

Merkhilfe: Vergleich mit Zahlen

Landauwie bei Zahlen

„Groß“ = mit Gleichheit, „klein“ = echt. Die Analogie ist nicht perfekt (siehe 7.11), hilft aber beim Einordnen.

7.9 Kriterien K3–K5

K3 und K4

  • K3:
  • K4: und

K3 ist einfach die Definition von , K4 die von als Schnitt.

K5: Das Grenzwert-Kriterium für alles

dann gilt
, , , ,
(endlich), , , ,
, , ,

So benutzt man K5

Quotient bilden → Grenzwert ausrechnen (mit den Regeln aus 04 Grenzwert und Konvergenz von Folgen) → Zeile ablesen. Für fast jede Aufgabe „Zeige “ ist das der schnellste Weg.

7.10 Beispiel: Polynome

Satz

Ist ein Polynom vom Grad , d.h. mit , so gilt d.h. und . Insbesondere ist .

Beweis:

Praktisch heißt das

Bei Polynomen zählt nur die höchste Potenz. Vorfaktoren und alle kleineren Potenzen fallen weg. Beispiele a) und b) aus 7.5 sind genau dieser Satz für .

7.11 Regeln K6, K7

Regeln

  • K6:
  • K7:

Begründung: Bei K6 ist der Grenzwert , also greift K1. Bei K7 ist der Grenzwert , also greift die mittlere Zeile von K5.


7.12 Stirlingsche Formel

Stirlingsche Formel

a)

b)

a) sagt: Der Quotient aus und geht gegen 1, also sind beide asymptotisch gleich. b) ist die genauere Version und sagt, wie schnell dieser Quotient gegen 1 geht. Hier taucht innerhalb eines Ausdrucks auf: „“ heißt „plus irgendeine Folge, die höchstens so groß wie ist“.

Ergänzung (nicht aus der Mitschrift)

Damit sieht man auch, warum in der Hierarchie (7.7) gilt: verhält sich wie (mal ). Das wächst schneller als jedes feste , aber um den Faktor langsamer als .

Selbsttest

  1. Zeige mit K5: .
  2. Ist ? Ist ? (Tipp: Quotient bilden.)
  3. Warum ist ?