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递归式代入法

Substitution method for recurrences

先猜测渐近界再用归纳代入验证并调节常数的方法。

条目类型
原则

形式陈述

代入法先猜测递推解的上界或下界,再用数学归纳证明。例如要证 T(n)cnlogn,把归纳假设代入 T(n)=2T(n/2)+n,得到 T(n)cnlog(n/2)+n=cnlogn+(1c)n,选择足够大的 c 并处理基例即可。常需加强猜测,如加入低阶修正项,以吸收取整和边界误差。

直觉

代入法先根据递推展开、递归树、主定理或实验猜测渐近界,再用归纳法负责“封口”:假设所有更小规模已经满足目标界,验证本层递推不会突破它。真正的技巧是选择常数、加强命题并给猜测留出足够松弛;只写 T(n)cnlogn 可能被低阶项卡住,加入 dn 或从足够大的 n0 开始常能闭合。上界与下界需分别选择归纳假设和常数。

递归式代入法的猜测、代入与闭合
例子与边界

证明 T(n)=T(n/2)+1=O(logn) 时,可对所有小于 n 的规模做强归纳。直接猜 T(n)cn 对某些递推虽真却过松,不能得到紧界;猜得过紧又可能因常数项失败。Big-O 证明只需对足够大 n 成立,但基例区间必须覆盖所有递归会落到的值。下界证明方向相反,不能把不等式符号机械照搬。

若递归的非递归项从 +n 变为 +n+1,形式陈述中的同一猜测可能被额外常数卡住;此时应调整常数、扩大基例区间,或在待证式中加入线性修正项,而不是重复套用原代数步骤。

不能在证明中把待证结论直接代回同规模 T(n),归纳只适用于更小参数。忽略取整和基例有时不影响渐近结论,但严格证明需说明如何吸收;仅验证上界不能宣称 Θ

推论与应用

递归关系是对象,数学归纳法提供证明,渐近记号表达结论。代入法核验递归树或主定理所得猜测,也能处理子问题规模不规则、带取整或需要低阶修正项的递推。

有界搜索树常以参数 k 而非输入规模 n 递推,代入时必须证明 f(k)poly(n) 中的指数只落在参数上。工作—深度模型又会为并行递归分别建立工作 W(n) 与深度 D(n) 两条递推;证明一个上界不能替代另一个。代入法仍是同一归纳技术,但变量、资源单位和待证保证必须先固定。

参考资料
  • Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest, and Clifford Stein, Introduction to Algorithms, 4th ed., MIT Press, 2022,Parts I–VI。
  • Jon Kleinberg and Éva Tardos, Algorithm Design, Pearson, 2005,Chs. 1–13。
关系图谱6 个相邻概念 · 2 类关系

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