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4.4 Asymptotik

Anwendung von Folgen in der Informatik:
Abschätzung von Laufzeiten oder Speicherbedarf bei Algorithmen.

  • Sei (an) die Laufzeit eines Algorithmus bei Eingabegröße nN.
  • Der konkrete Wert von an ist oft unerheblich – interessiert ist nur das Wachstumsverhalten der Folge (wie schnell wächst an?).

Landau-Symbole (Groß-O und Klein-o)

Wir betrachten die Menge F+:={(an)R:an>0 für alle nN}.

Sei (bn)F+. Dann definieren wir:

  • Groß-O von bn:

    O(bn):={(an)F+:(anbn)nN ist beschränkt}
  • Klein-o von bn:

    o(bn):={(an)F+:limnanbn=0}
  • Es gilt: o(bn)O(bn), da jede Nullfolge beschränkt ist.

  • Warnung: Das „=“ in den Definitionen ist kein echtes Gleichheitszeichen, sondern nur symbolische Schreibweise.
    → Man schreibt anO(bn) statt an=O(bn).

Eigenschaften der O- und o-Notation

Seien (an),(bn),(cn),(dn)F+ und α,βR+:

  1. Wenn an,bnO(cn), dann gilt:
    αan+βbnO(cn)

  2. Wenn anO(bn) und cnO(dn), dann:
    ancnO(bndn)

  3. Wenn anO(bn) und bnO(cn), dann:
    anO(cn)
    (Transitivität)

  4. Es gilt:
    anO(bn)1bnO(1an)

INFO

Alle Aussagen gelten auch mit Klein-o statt Groß-O.

Weitere Landau-Symbole: Ω und ω

Analog zur Definition von O und o:

  • Groß-Ω von bn:

    Ω(bn):={(an)F+:(bnan)nN ist beschränkt}
  • Klein-ω von bn:

    ω(bn):={(an)F+:limnbnan=0}
Beispiel

Seien:

  • an=2n2+3n+1
  • bn=n2
  • cn=n7

Dann gilt:

  • anO(bn)
  • anO(cn)

Denn:

limnanbn=limn2n2+3n+1n2=limn2+3n+1n21=2

und

limnancn=2n2+3n+1n7=2n5+3n6+1n71=0

Allgemein gilt

Ein Polynom p(n) vom Grad k liegt in O(nk).

Alternative Notation

Folgen kann man auch als Funktionen schreiben:

  • Sei (an) eine Folge. Dann:fa(n):=an

Übersicht: Landau-Symbole und Bedeutung

Landau-SymbolBezeichnungBemerkung
O(1)beschränkt
O(loga(n))logarithmischa>1
O(n)linear
O(nloga(n))n log na>1
O(n2)quadratisch
O(n3)kubisch
O(nk)polynomialkN
O(an)exponentiella>1