Algorithm Quizzes
Quiz 1
Sort the following terms from slowest growing to fastest growing.
\[(\log_2 n + 1)^3 \quad 7^{2n} \quad n^{\frac{1}{2}} \quad n^{\log_3 7} \quad 2^{7n} \quad 1000 (\log_2 n)^3 \quad 2^{\log_2 n} \quad n \log n \quad 5^{\log_3 n}\]这题其实非常 tricky。
首先要注意两点：
- $2^{\log_2 n} = n$
- $5^{\log_3 n} = n^{\log_3 5}$
所有我们上来可以排列成 3 组：
- $(\log_2 n + 1)^3 < 1000 (\log_2 n)^3$
- $n^{\frac{1}{2}} < 2^{\log_2 n} < n \log n$
- $5^{\log_3 n} < n^{\log_3 7} < 7^{2n} < 2^{7n}$
我们事后诸葛亮一下：这个问题可以转化为证明下面两个不等式：
- $1000 (\log_2 n)^3 < n^{\frac{1}{2}}$
- $n \log n < 5^{\log_3 n}$
1. 不等式一
令 $f(n) = 1000 (\log_2 n)^3 - n^{\frac{1}{2}}$。令 $n = 2^{2k}$，于是得到：$f(n) = 8000k^3 - 2^k$
这个很明显 $\underset{k \to +\infty}{\lim} 8000k^3 - 2^k = -\infty$
所以：$(\log_2 n)^3 < n^{\frac{1}{2}}$
2. 不等式二
令 $f(n) = n \log n - 5^{\log_3 n} = n \log n - n^{\log_3 5}$。令 $n=2^k$，于是得到：$f(n) = 2^k k - 2^{k \times \log_3 5} = 2^k (k - 2^{({\log_3 5} - 1) \times k})$
因为 $\log_3 5 - 1 > 0$，所以 $\underset{k \to +\infty}{\lim} k - 2^{({\log_3 5} - 1) \times k} = -\infty$
所以：$n \log n < 5^{\log_3 n} $
3. 综上
\[(\log_2 n + 1)^3 < 1000 (\log_2 n)^3 < n^{\frac{1}{2}} < 2^{\log_2 n} < n \log n < 5^{\log_3 n} < n^{\log_3 7} < 7^{2n} < 2^{7n}\]Quiz 2
求以下两段代码各自的 computational cost：
(1) while (n > 2)
n = sqrt(n);
(2) while (n > 2)
n = log(n)
解：(1) 假设 while 运行 $i$ 次时 $n$ 的值为 $n(i)$，有：
- $n(1) = n^{\frac{1}{2}}$
- $n(2) = n^{\frac{1}{4}}$
- ……
- $n(i) = n^{\frac{1}{2^i}}$
假设 $n(k) = p \leq 2$，while 结束，有：
- $p = n^{\frac{1}{2^k}}$，两边同时 $2^k$ 次方，得：
- $p^{(2^k)} = n$，两边同时取对数，得：
- $(2^k) \times \log p = \log n$，两边再次取对数，得：
- $\log 2^k + \log \log p = \log \log n$，即：
- $k \times \log 2 + \log \log p = \log \log n$
$\because$ $\log \log p$ 和 $\log 2$ 都是常数，$\therefore k \in O(\log \log n)$ ，即算法复杂度为 $O(\log \log n)$
解：(2) 这题需要一个引入概念，叫 iterated logarithm:
\[\log^{\ast}n:={\begin{cases} 0 & {\mbox{if }} n \leq 1; \newline 1+\log^{\ast}(\log n) & {\mbox{if }} n>1 \end{cases}}\]根据这个定义：$\log^{\ast}_2 2 = 1, \, \log^{\ast}_2 2^2 = 2, \, \log^{\ast}_2 2^{2^2} = 3, \, \dots$
假设 while 运行 $i$ 次时 $n$ 的值为 $n(i)$，有
- $n(1) = \log n$
- $n(2) = \log \log n$
- ……
- $n(i) = \log \log \cdots \log n$ ($i$ 个 $\log$)
假设 $n(k) = p \leq 2$，while 结束，根据 iterated logarithm，有：
$\because$ $log^{\ast}(p)$ 为常数，$\therefore k \in O(\log^{\ast} n)$ ，即算法复杂度为 $O(\log^{\ast} n)$
Quiz 3
如何判断一个正整数是不是 2 的 n 次方？
解：设 $x = 2^n$，$x$ 有 $m$ bits，则 $x$ 的最高位为 1，后 $m-1$ 位为 0
同时 $x-1$ 的最高位为 0，后 $m-1$ 位为 1，所以做 AND 运算有 x & (x - 1) == 0
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