1、分别指出下列集合的最大值、最小值、下确界和上确界(若存在):i) A = {8, 6, 7, 5, 3, 0, 9};ii) B = [a, b),其中 a, b 属于实数集;iii) C = 函数 f(x) = 1/(1 - x)(x ≠ 1)的值域;iv) D = 函数 g(x) = 1/(1 - x)²(x ≠ 1)的值域;v) E = {1 + (-1)ⁿn},其中 n 为正整数;vi) F = 质数集。
- i) 最大值 9,最小值 0,下确界 0,上确界 9;
- ii) 最大值不存在,最小值 a,下确界 a,上确界 b;
- iii) 最大值、最小值不存在,下确界 -∞,上确界 +∞;
- iv) 最大值不存在,最小值 0,下确界 0,上确界 +∞;
- v) 最大值、最小值不存在,下确界 -∞,上确界 +∞;
- vi) 最大值不存在,最小值 2,下确界 2,上确界 +∞;
2、假设(s_1)和(s_2)是某个集合(S ⊆ ℝ)的上确界。证明(s_1 = s_2),从而证明集合的上确界是唯一的(显然,一个非常类似的证明表明,如果集合的下确界存在,那么它也是唯一的)。
-
首先明确上确界的定义:设 $ S \subseteq \mathbb{R} $,数 $ s $ 称为 $ S $ 的上确界,记为 $ s = \sup(S) $,如果满足以下两个条件:
-
对于任意 $ x \in S $,都有 $ x \leq s $(即 $ s $ 是 $ S $ 的一个上界);
-
对于任意 $ \varepsilon > 0 $,存在 $ x_0 \in S $,使得 $ x_0 > s - \varepsilon $(即 $ s $ 是 $ S $ 的最小上界)。
-
因为 $ s_1 = \sup(S) $ 且 $ s_2 = \sup(S) $:
- 由于 $ s_1 $ 是 $ S $ 的上确界,$ s_2 $ 是 $ S $ 的一个上界,根据上确界是最小上界的性质,有 $ s_1 \leq s_2 $。
- 同理,由于 $ s_2 $ 是 $ S $ 的上确界,$ s_1 $ 是 $ S $ 的一个上界,根据上确界是最小上界的性质,有 $ s_2 \leq s_1 $。
- 由实数的性质:对于两个实数 $ a $ 和 $ b $,如果 $ a \leq b $ 且 $ b \leq a $,那么 $ a = b $。在这里 $ a = s_1 $,$ b = s_2 $,所以 $ s_1 = s_2 $。
这就证明了集合 $ S $ 的上确界是唯一的。
对于下确界,可类似地根据下确界的定义(下确界是集合的最大下界)进行证明:
设 $ i_1 $ 和 $ i_2 $ 是集合 $ S $ 的下确界:
- 一方面 $ i_1 $ 是下确界,$ i_2 $ 是下界,则 $ i_1 \geq i_2 $;
- 另一方面 $ i_2 $ 是下确界,$ i_1 $ 是下界,则 $ i_2 \geq i_1 $,
从而 $ i_1 = i_2 $。
3、证明 x² + x + 1 是 O(x²) 但不是 O(x)。
要证明 $ x^2 + x + 1 $ 是 $ O(x^2) $,根据大 O 符号定义,需找到正常数 $ C $ 和 $ N $,使得当 $ x \geq N $ 时,$ |x^2 + x + 1| \leq C|x^2| $。
当 $ x \geq 1 $ 时,
$$
x^2 + x + 1 \leq x^2 + x^2 + x^2 = 3x^2
$$
这里 $ C = 3 $,$ N = 1 $,满足大 O 定义,所以 $ x^2 + x + 1 $ 是 $ O(x^2) $。
要证明 $ x^2 + x + 1 $ 不是 $ O(x) $,假设存在正常数 $ C $ 和 $ N $,使得当 $ x \geq N $ 时,$ |x^2 + x + 1| \leq C|x| $。
但当 $ x $ 足够大时,$ x^2 $ 的增长速度远快于 $ x $,$ x^2 + x + 1 $ 会大于 $ Cx $,所以不存在这样的 $ C $ 和 $ N $,即 $ x^2 + x + 1 $ 不是 $ O(x) $。
4、设n、k为正整数,证明1ᵏ + 2ᵏ + · · · + nᵏ是O(nᵏ⁺¹)。
对于正整数 $ n $ 和 $ k $,有
$$
1^k + 2^k + \cdots + n^k \leq n^k + n^k + \cdots + n^k \quad \text{(共 } n \text{ 项)}
$$
即
$$
1^k + 2^k + \cdots + n^k \leq n \times n^k = n^{k+1}
$$
取 $ C = 1 $,$ N = 1 $,根据大 $ O $ 符号的定义,对于所有 $ n \geq N $,有
$$
1^k + 2^k + \cdots + n^k \leq C \times n^{k+1}
$$
所以 $ 1^k + 2^k + \cdots + n^k $ 是 $ O(n^{k+1}) $。
5、如果对于决策问题,当 (L in P) 时,有 (overline{L} in coP),证明 (P = coP)。
在理论计算机科学中,要证明 $ P = \text{co}P $,通常按以下思路进行:
- 证明 $ P \subseteq \text{co}P $ :
对于任意语言 $ L \in P $,因为 $ P $ 类问题存在多项式时间的确定性图灵机判定算法。设 $ M $ 是判定 $ L $ 的多项式时间图灵机,构造一个新的图灵机 $ M’ $,它以与 $ M $ 相同的输入运行 $ M $,然后反转 $ M $ 的输出。由于 $ M $ 在多项式时间内运行,$ M’ $ 也在多项式时间内运行,且 $ M’ $ 判定的是 $ \overline{L} $,所以 $ \overline{L} \in P $,根据 $ \text{co}P $ 的定义,$ L \in \text{co}P $,即 $ P \subseteq \text{co}P $。
- 证明 $ \text{co}P \subseteq P $ :
对于任意语言 $ L \in \text{co}P $,根据定义,$ \overline{L} \in P $。因为 $ P $ 类问题存在多项式时间的确定性图灵机判定算法,设 $ M $ 是判定 $ \overline{L} $ 的多项式时间图灵机,构造一个新的图灵机 $ M’ $,它以与 $ M $ 相同的输入运行 $ M $,然后反转 $ M $ 的输出。由于 $ M $ 在多项式时间内运行,$ M’ $ 也在多项式时间内运行,且 $ M’ $ 判定的是 $ L $,所以 $ L \in P $,即 $ \text{co}P \subseteq P $。
由 $ P \subseteq \text{co}P $ 且 $ \text{co}P \subseteq P $,可得 $ P = \text{co}P $。
不

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