1.2 Основні співвідношення
Співвідношення 1: якщо .(1.2.1)
Доказ:
Нехай , тоді по властивості ступеня й модуля. , де З = 1. А по визначенню (1.1.2) символи Об це й означає, що при . Співвідношення 1 доведене.
Співвідношення 2: .(1.2.2)
Доказ:
Покажемо строго відповідно до теоретико-множинного визначення символу О, що ліва частина є підмножиною правої частини.
Будь-яка функція з лівої частини має вигляд a(n) + b(n), і існують константи m0, B, n0, C, такі, що
и.
Отже, функція в лівій частині
А, виходить, по визначенню символу О ліва частина належить правій частині. Співвідношення 2 доведене.
Співвідношення 3: f(n) = O(f(n));(1.2.3)
Доказ:
Для будь-якої функції f(n) вірна нерівність . , де З = 1. По визначенню символу О (1.1.2) це й означає, що f(n) = O(f(n)). Співвідношення 3 доведене.
Співвідношення 4: O(f(n))O(g(n)) = O(f(n)g(n));(1.2.4)
Доказ:
Покажемо відповідно до теоретико-множинного визначення символу О, що ліва частина є підмножиною правої частини.
У лівій частині функції мають вигляд a(n) b(n), такі, що існують константи В, З, n0, m0, що
і
.
Тоді для будь-якого n max(n0, m0,). Значить ліва частина належить правій частині, а, отже, є підмножиною правої частини по визначенню символу О. Співвідношення 6 доведене.
Співвідношення 5: O(O(f(n))) = O(f(n));(1.2.5)
Доказ:
Покажемо, що ліва частина є підмножиною правої частини.
Функція з лівої частини має вигляд a(n) такий, що існують позитивні константи З, В, n0, m0 такі, що
Отже, по визначенню ліва частина є підмножиною правої частини. Співвідношення 5 доведене.
Співвідношення 6: С O(f(n)) = O(f(n)),якщо З - константа;(1.2.6)
Доказ:
Існує така константа В, що , по визначенню (1.1.1) З = О(1). Тоді З O(f(n)) = О(1) O(f(n)) = (по 1.2.4) = O(f(n)).
Співвідношення доведене.
Співвідношення 7: O(f(n)g(n)) = f(n)O(g(n)).(1.2.7)
Доказ:
Покажемо, що ліва частина є підмножиною правої частини.
У лівій частині функції мають вигляд a(n), такі, що існують константи З, n0, що
.
По визначенню символу О ми одержуємо вірну рівність (1.2.7). Співвідношення 7 доведене.
Співвідношення 8: O(f(n)2) = O(f(n))2.(1.2.8)
Доказ:
O(f(n)2) = O(f(n) · f(n)) = (по 1.2.7) = f(n) · O(f(n)) = (по 1.2.3) = О(f(n)) · O(f(n)) = O(f(n))2
Співвідношення доведене.
Співвідношення 9: е(f(n)) = 1 + O(f(n)), якщо f(n) = О(1)(1.2.9)
Доказ:
е(f(n)) = еg(n), де .
Так як. f(n) = О(1), тобто
, те .
. Значить е(f(n)) = 1 + O(f(n)).
Співвідношення доведене.
Співвідношення 10: Якщо сума сходиться абсолютно для деякого комплексного числа z = z0, те
.
Доказ:
Дане співвідношення очевидно, оскільки
.
Співвідношення доведене.
Зауваження 4: Зокрема, S(z) = O(1) при z 0 і S(1/n) = O(1) при n при тім тільки умові, що S(z) сходиться хоча б для одного ненульового значення z. Ми можемо використовувати цей принцип для того, щоб, відкинувши хвіст статечного ряду, починаючи з будь-якого зручного місця, оцінити цей хвіст через О. Так, наприклад, не тільки S(z) = O(1), але й
S(z) = a0 + O(z), S(z) = a0 + a1z + O(z2),
і т.д., оскільки
,
а остання сума, як і сама S(z), абсолютно сходиться при z = z0 і є О(1).
У таблиці №1 наведені самі корисні асимптотичні формули [2], половина з яких отримана шляхом відкидання членів статечного ряду відповідно до цього правила.
Таблиця №1 Асимптотичні апроксимації, справедливі при n і z 0
(1.2.10) |
|
(1.2.11) |
|
(1.2.12) |
|
(1.2.13) |
|
(1.2.14) |
|
(1.2.15) |
Асимптотичні формули для Hn, n! не є початковими відрізками збіжних рядів; якщо необмежено продовжити ці формули, те отримані ряди будуть розходитися при всіх n.
Говорять, що асимптотична апроксимація має абсолютну погрішність O(g(n)), якщо вона має вигляд f(n) + O(g(n)), де f(n) не включає О. Апроксимація виду f(n)(1 + O(g(n))) має відносну погрішність O(g(n)), якщо f(n) не включає О. Наприклад, апроксимація Hn у таблиці №1 має абсолютну погрішність O(n-6); апроксимація n! - відносну погрішність O(n-4). (Права частина (1.2.11) не така, як потрібно, - f(n)(1 + O(n-4)), але її можна переписати як
.
Абсолютна погрішність цієї апроксимації є O(nn-3.5e-n). Абсолютна погрішність співвідноситься із числом вірних десяткових цифр праворуч від десяткової крапки, які зберігаються після відкидання члена О; відносна погрішність повязана із числом вірних "значущих цифр".