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[微積分] Little-oh 與 Big-oh 符號

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Definition: $f$ is Big-Oh of $g$
令 $f, g$ 為任意函數在 $x = x_0$ 附近可定義。我們說 當 $x \to x_0$ 時, $f(x) = O(g(x))$) 若下列條件成立:
存在 $\delta >0$ 與 正數 $c>0$ 使得\[
|x - x_0| < \delta  \Rightarrow |f(x)| \le c |g(x)|
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Definition: $f$ is Little-Oh of $g$
我們說 當 $x \to x_0$ 時, $f(x) = o (g(x))$ 若下列條件成立:
對任意 $\varepsilon>0$ 存在 $\delta > 0$  使得
\[ |x - x_0| < \delta \Rightarrow \frac{f(x)}{g(x)} < \varepsilon \]亦即上述等價為 $\displaystyle \lim_{x \to x_0} \frac{f(x)}{g(x)} = 0$
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Comments:
1. $o(g(x))$ (要求收斂) 條件比 $O(g(x))$ (僅要求有界) 條件強烈。

2. 我們說某函數 $f$ 在 $x_0$ 處連續亦可以用此 little-oh 符號表達:
\[
f(x) - f(x_0) = o(1) \text{ as $ x \to x_0$}
\]
3. 一般而言,上述定義中的 函數 $g(x)$ 多半考慮為較 $f(x)$ 簡單的函數以用作比較函數 decay or growth rate ;以下我們看幾個例子

Example 1: 選 $g :=1$ 且考慮當 $x \to x_0$ 時,
(a) $f(x) = O(g(x) )= O(1)$ 試解釋其意義:
(b) $f(x) = o(g(x)) = o(1)$ 試解釋其意義:

Solution:
(a) 當 $x \to x_0$ 時,$f(x) = O(g(x) = O(1)$ 由定義可知:存在 $\delta >0$ 與 正數 $c>0$ 使得\[
|x - x_0| < \delta  \Rightarrow |f(x)| \le c |1|
\]亦即 $|f(x)|$ 在 $x= x_0$ 附近有界 (在此例中此界為 $c$)

(b) 當 $x \to x_0$ 時,$f(x) = o(g(x)) = o(1)$ 由定義可知:
\[\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x)}}{{g(x)}} = \mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} f(x) = 0\]


Example 2
試證明 若 $f(x) = o(x)$ 則 $\lim_{x \to 0} f(x) = 0$

Proof:
觀察
\[\mathop {\lim }\limits_{x \to 0} f(x) = \mathop {\lim }\limits_{x \to 0} \frac{{f(x)}}{x} \cdot x \;\;\;\;\; (**)
\]接著由於 $f(x) = o(x)$ 由定義可知
\[\mathop {\lim }\limits_{x \to 0} \frac{{f(x)}}{{\left| x \right|}} = 0\]且又知道
\[
\lim_{x \to 0} x =0
\]故 $(**)$ 由極限四則運算關係可得
\[\mathop {\lim }\limits_{x \to 0} f(x) = \mathop {\lim }\limits_{x \to 0} \frac{{f(x)}}{x} \cdot x = 0\]

Example 3
考慮下列數列
$$z_n:= t + o(t/n)n$$ 其中 $o(\cdot)$ 為 little-oh;試求 $\lim_{n\to \infty} z_n =?$

Solution:
我們要計算
\[\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } {z_n} = \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \left( {t + o\left( {\frac{t}{n}} \right)n} \right)\]
現在考慮任意 sequence $a_n \in o(t/n)$, 則由 little-oh 定義可知
\[\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{{a_n}}}{{\frac{t}{n}}} = 0 \Rightarrow \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{n{a_n}}}{t} = 0 \]
故現在令 $z_n:= t + n a_n$ 則
\[\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } {z_n} = \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \left( {t + n{a_n}} \right) = \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } t\left( {1 + \frac{{n{a_n}}}{t}} \right) = t\left( {1 + \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{n{a_n}}}{t}} \right) = t\]

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[數學分析] 淺談各種基本範數 (Norm)

這次要介紹的是數學上一個重要的概念:

Norm:一般翻譯成範數
(在英語中 norm 有規範的意思,比如我們說normalization就是把某種東西/物品/事件 做 正規化,也就是加上規範使其正常化),不過個人認為其實翻譯成 範數 也是看不懂的...這邊建議把 Norm 想成長度就好 (事實上norm是長度的抽象推廣),

也許讀者會認為好端端的長度不用,為何又要發明一個 norm 來自討苦吃?? 既抽象又艱澀。

事實上想法是這樣的:
比如說現在想要比較兩個數字 $3$ , $5$ 之間的大小,則我們可以馬上知道 $ 3 < 5 $;同樣的,如果再考慮小數與無理數如 $1.8753$ 與 $\pi$,我們仍然可以比較大小 $1.8753 < \pi = 3.1415...$ 故可以發現我們有辦法對 "純量" 做明確的比大小,WHY? 因為前述例子中 $3$, $5$, $1.8753$ or $\pi$ 其各自的大小有辦法被 "measure "!

但是如果是現在考慮的是一組數字 我們如何去measure 其大小呢?? 比如說
\[x:=[1, -2, 0.1, 0 ]^T
\]上式的大小該是多少? 是 $1$? $-2$? $0.1$???
再者如果更過分一點,我們考慮一個矩陣
\[A = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}
1&2\\
3&4
\end{array}} \right]
\],想要知道這個矩陣的大小又該怎麼辦?? 是 $1$ ? $2$ 還是 $4$ ?..其實現階段我們說不清楚。

也正是如此,可以發現我們確實需要新的 "長度" 的定義來幫助我們如何去 measure 矩陣/向量/甚至是函數的大小。

故此,我們首先定義甚麼是Norm,(也就是把 "長度" or "大小" 的本質抽離出來)

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Definition: Norm
考慮 $V$ 為一個向量空間(Vector space),則我們說  Norm 為一個函數 $||\cdot|| : V \rightarrow \mathbb{R}$ 且滿足下列性質:

(a) $||v|| \geq 0$, $||v||=…

[數學分析] 什麼是若且唯若 "if and only if"

數學上的 if and only if
 (此文不討論邏輯學中的 if and only if,只討論數學上的 if and only if。)

中文翻譯叫做 若且唯若 (or 當且僅當),記得當初剛接觸這個詞彙的時候,我是完全不明白到底是甚麼意思,查了翻譯也是愛莫能助,畢竟有翻跟沒翻一樣,都是有看沒有懂。

在數學上如果看到 if and only if  這類的句子,其實是表示一種雙條件句,通常可以直接將其視為"定義(Definition)"待之,今天要分享的是這樣的一個句子如何用比較直觀的方法去看他

假設我們現在有 兩個邏輯陳述句 A 與  B.
注意到,在此我們不必考慮這兩個陳述句到底是什麼,想表達什麼,或者到底是否為真(true),這些都不重要。只要知道是兩個陳述即可。

現在,考慮新的陳述:  "A if and only if B"
好了,現在主角登場,我們可以怎麼看待這個句子呢?
事實上我們可以很直覺的把這句子拆成兩部分看待,也就是
"( A if B ) and ( A only if B )"

那麼先針對第一個部分 A if B 來看,
其實這句就是說 if B then A,
更直白一點就是 "if B is true, then A is also true". 
在數學上等價可以寫為 "B implies A". 
或者更常用一個箭頭符號來表示 "B $\Rightarrow$  A" 

現在針對第二個部分 A only if B
此句意指 "If B is not true, then A is also not true".
所以如果已知 A is true, 那麼按照上句不難推得 B is also true
也就是說 A only if B 等價為 "If A is true then B is also true".
同樣,也可以寫作"A implies B"
或者用箭頭表示 "A $\Rightarrow$  B".

所以現在總結如下,下列七個 if and only if 陳述完全等價:

"A if and only if B" "A iff…