本文内容概要:
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\(A=\sum\limits_{i=1}^n\dfrac1{\sqrt i}=1+\dfrac1{\sqrt2}+\cdots+\dfrac1{\sqrt n}\)
\(O(\sqrt n)\) ,将给出一种只需使用初中数学知识的放缩 -
\(B=\sum\limits_{i=1}^n\sqrt i=1+\sqrt2+\cdots+\sqrt n\)
\(O(n\sqrt n)\) ,使用积分进行放缩 -
\(C=\sum\limits_{i=1}^n\dfrac1i=1+\dfrac12+\cdots+\dfrac1n\)
著名的调和级数,\(O(\ln n)\) ,主要介绍一种证明下界的方法 -
杜教筛时间复杂度证明
不再讲解算法,阅读前请确保你已经事先了解杜教筛
一些证明来自于我的数学老师,在此表示感谢
\(A=\sum\limits_{i=1}^n\dfrac1{\sqrt i}\)
考虑放缩: \(\dfrac1{\sqrt i+\sqrt{i+1}}<\dfrac1{2\sqrt i}<\dfrac1{\sqrt{i-1}+\sqrt i}\)
两边裂个项:\(\sqrt{i+1}-\sqrt i<\dfrac1{2\sqrt i}<\sqrt i-\sqrt{i-1}\)
求和:\(\sum\limits_{i=1}^n\sqrt{i+1}-\sqrt i<\sum\limits_{i=1}^n\dfrac1{2\sqrt i}<\sum\limits_{i=1}^n\sqrt i-\sqrt{i-1}\)
即 \(\sqrt{n+1}-1<\dfrac12A<\sqrt n\)
故 \(2\sqrt{n+1}-2<A<2\sqrt n\)
\(B=\sum\limits_{i=1}^n\sqrt i\)
注意到
放个图,应该能帮助理解
直接积出来,得到 \(\dfrac23n^{1.5}<B<\dfrac23\left[(n+1)^{1.5}-1\right]\)
这种处理技巧对应的专有名词是积分判别法
\(C=\sum\limits_{i=1}^n\dfrac1i\)
类似地,用积分容易证明 \(\ln(1+n)<C<1+\ln n\) ,这里不再赘述,读者可自行完成
(严格地说,\(n=1\) 时是能取到上界的,但问题不大)
下面给出另一种 \(C>\ln(n+1)\) 的证明方法
考虑一个结论: \(x-1\ge\ln x\) (当且仅当 \(x=1\) 时取等)
似乎是高中数学常见结论?不证了
令 \(x=2,\dfrac32,\dfrac43,\cdots,\dfrac{n+1}n\) ,代入并求和:
证毕
如需了解更多 请自行百度调和级数
杜教筛时间复杂度证明
不妨考虑最简单的情形: \(S(n)=\sum\limits_{i=2}^nS\left(\left\lfloor\dfrac ni\right\rfloor\right)\) ,使用整除分块递归求解
注意,时间复杂度写成 \(T(n)=O(\sqrt n)+\sum\limits_{i=2}^{\sqrt n}(T(i)+T(\frac ni))\) 的证明都是错的。
\(T(200000)\) 已经超过 1e8 了。自行体会。
证明应当考虑到杜教筛是有记忆化的
于是整个算法中,每个 \(S(n/i)(i\in\mathbb N)\) 都恰被计算了一次
于是时间复杂度为 \(O(~\sum\limits_{j=n/i}\!\sqrt j~)\)
\(j\le \sqrt n\) 的部分显然可以忽略,考虑剩下的
于是时间复杂度就是 \(O(n^{3/4})\)
我们还可以优化,用线性筛预处理 \(S(1)\sim S(k) (k\ge \sqrt n)\)
这样就可以忽略 \(j\le k\) 的部分
时间复杂度就是 \(O\left(k+\dfrac n{\sqrt k}\right)\) ,当 \(k\) 为 \(O(n^{2/3})\) 级别时取到最优 \(O(n^{2/3})\) 。