【数学】快速傅里叶变换(FFT)

快速傅里叶变换(FFT)

FFT 是之前学的,现在过了比较久的时间,终于打算在回顾的时候系统地整理一篇笔记,有写错的部分请指出来啊 qwq。

卷积

卷积、旋积或褶积(英语:Convolution)是通过两个函数 \(f\)\(g\)​​ 生成第三个函数的一种数学算子

定义

\(f,g\)​ 在 \(R1\)​ 上可积,那么 \(h(x) = \int_{-∞}^∞f(\tau)g(x-\tau)d\tau\) 称为 \(f\)\(g\)​ 的卷积

对于整系数多项式域,\(n-1\) 次多项式 \(A,B\) 的相乘可以得到 \(h(x) = A(x)B(x) = \sum_{i=0}^{2n-2} \sum_{j+k=i}a_j b_k = \sum_{i=0}^{2n-2} \sum_{j=0}^i a_j b_{i-j} x^i\),对应的卷积为 \(C_i = \sum A_j B_{i-j}\)

系数表示法

即用多项式各项系数来刻画这个多项式,例如 \(n-1\) 次多项式就可以写成这样:\(A(x) = a_0 + a_1x+...+a_{n-1}x^{n-1}\)

点值表示法

我们知道,\(n\)​​​​ 个不同的点可以确定一个 \(n-1\)​​​​ 次的多项式,所以我们可以使用 \(n\)​​​​ 个(不同)点来刻画一个 \(n-1\)​​​​ 次多项式。

这样做会有什么方便呢?

例如 \(f(x) = (x_0, f(x_0)),...(x_n,f(x_n)),g(x) = (x_0, g(x_0)),...(x_n, g(x_n))\),那么它们的卷积 \(h(x) = (x_0, f(x_0)g(x_0)),...(x_n, f(x_n)g(x_n))\)

这意味着在系数表示法中需要 \(O(n^2)\) 次的乘法运算在点值表示法中只需要 \(O(n)\) 次。

系数表示法转点值表示法(DFT)

下面考虑如何将 \(n-1\) 次多项式从系数表示法转为点值表示法。

因为用普通的方法选取 \(n\)​​​​​ 个点然后将系数表示法转为点值表示法的复杂度为 \(O(n^2)\)​​​​​(因为需要选 \(n\)​​​​​ 个点,然后对于每个点 \(x\) 需要计算共 \(n\) 项的结果),我们考虑如何优化这一步。

注意到满足 \(w^n=1\)​​ 的单位根 \(w\)​ 有 \(n\)​ 个,故从这里入手。

我们记方程 \(w^n = 1\) 的第 \(k\) 个单位根为 \(w_n^k\)​。

方便起见,设 \(n\)​ 为 \(2\)​ 的幂(就算不是也可以看作是高次项的系数为 \(0\)​)。

\(A(x)\) 按照次数的奇偶性分别分成两组 \(F(x),G(x)\),并表示为 \(A(x) = F(x^2) + xG(x^2)\)

例如 \(A(x) = a_0+a_1x+a_2x^2+a_3x^3\)​,那么 \(F(x) = a_0+a_2x,G(x)=a_1+a_3x\)​。

\(x=w_n^k\)​ 代入 \(A(x)\)​,由复数的性质,

\(A(w_n^k) = F(w_{\frac{n}{2}}^k) + w_n^k G(w_{\frac{n}{2}}^k)\)​ ,类似地 \(A(w_{n}^{k+\frac{n}{2}}) = F(w_{\frac{n}{2}}^k) - w_n^k G(w_{\frac{n}{2}}^k)\)​。​

推导:

\(A(w_{n}^{k+\frac{n}{2}}) = F(w_n^{2k+n}) + w_n^{k+\frac{n}{2}}G(w_n^{2k+n}) \\= F(w_{\frac{n}{2}}^k) + w_n^{k+\frac{n}{2}} G(w_{\frac{n}{2}}^k) \\= F(w_{\frac{n}{2}}^k) - w_n^k G(w_{\frac{n}{2}}^k)\)​​​

可以发现对于两个相应的单位根 \(w_n^k,w_n^{\frac{n}{2}+k}\)​,可以用对应的 \(F,G\)​ 算出(可以递归地实现这个过程),而且计算的范围折半,所以一共需要计算 \(O(logN)\)​ 层,每一层执行 \(O(n)\)​ 次运算,所以复杂度为 \(O(NlogN)\)​。

点值表示法转系数表示法(IDFT)

下面考虑如何将 \(n-1\)​ 次多项式从点值表示法转为系数表示法。

因为对于每个点值 \(y_i = \sum_{k=0}^{n-1}w_n^{ki}\),其中 \(i\in[0, n-1]\)​​​​,我们可以写出等式:

\[\left[ \begin{matrix} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1\\ 1 & w_n^1 & w_n^2 & \cdots & w_n^{n-1}\\ 1 & w_n^2 & w_n^4 & \cdots & w_n^{2(n-1)}\\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & w_n^{n-1} & w_n^{2(n-1)} & \cdots & w_n^{(n-1)(n-1)} \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} a_0\\ a_1\\ a_2\\ \vdots\\ a_{n-1} \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} y_0\\ y_1\\ y_2\\ \vdots\\ y_{n-1} \end{matrix} \right] \]

现在我们已经有向量 \(y\)​​ 了(就是右式),因此,如果要得到向量 \(a\)​​,只需要两边乘上 \(w\)​​​ 矩阵的即可。

这里的 \(w\)​​ 矩阵正是著名的范德蒙矩阵,它的逆正好是每一项都取倒数,然后除以 \(n\)​​。

因此有 \(a_i = \frac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1}w_n^{-ki}\),其中 \(i\in[0, n-1]\)​。

有没有发现 \(a_i,y_i\)​ 的形式非常接近?据此,我们可以在实现的时候在同一个函数中写出逆变换和正变换,然后在得到的结果 res 中除以 \(n\) 就可以了。(参照下面的代码)

至此,FFT 的基本原理讲述完毕,下面是优化。

位逆序置换

按照上文的讲述,如果不看下面的代码,那么编写出来的是递归版本,但是这个版本的常数太大了,因此运行起来的效果不好,故使用位逆序置换来降低常数。

我们看看递归过程是什么样的,以 \(n=8\) 为例:

\[\{x_0, x_1, x_2,x_3,x_4,x_5,x_6,x_7\}\\ \{x_0, x_2, x_4,x_6\},\{x_1,x_3,x_5,x_7\}\\ \{x_0, x_4\}, \{x_2,x_6\},\{x_1,x_5\},\{x_3,x_7\}\\ \{x_0\},\{x_4\},\{x_2\},\{x_6\},\{x_1\},\{x_5\},\{x_3\},\{x_7\}\\ \]

这里就有一个非常神奇的规律:在最后一行中,原下标所对应的二进制数翻转正好是在最后一行的序数。例如 \(x_6\) 的下标是 \(6 = 110_{(2)}\),那么它的序数正好是 \(011_{(2)} = 3\)

据此,可以处理出 rev 数组,它记录的正是最后一行所有元素对应的下标。

简单地说,递归形式是自上而下地做 FFT,而利用位逆序置换我们可以自下而上地做 FFT,它们在实际运行中有着常数上的区别。

模板题及代码

https://www.luogu.com.cn/problem/P3803

给定一个 \(n\) 次多项式 \(F(x)\),和一个 \(m\) 次多项式 \(G(x)\)

请求出 \(F(x)\)\(G(x)\) 的卷积。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N=3e5+5;
const double pi=acos(-1);

int n, m;

// 复数类
struct Complex{
	double x, y;
	Complex operator + (const Complex &o)const { return {x+o.x, y+o.y}; }
	Complex operator - (const Complex &o)const { return {x-o.x, y-o.y}; }
	Complex operator * (const Complex &o)const { return {x*o.x-y*o.y, x*o.y+y*o.x}; }
};

Complex a[N], b[N];
int res[N];

int rev[N], bit, tot;

void fft(Complex a[], int inv){ // inv 指示正变换、逆变换。
	for(int i=0; i<tot; i++) if(i<rev[i]) swap(a[i], a[rev[i]]);
	
	for(int mid=1; mid<tot; mid<<=1){
		auto w1=Complex({cos(pi/mid), inv*sin(pi/mid)});
		for(int i=0; i<tot; i+=mid*2){
			auto wk=Complex({1, 0});
			for(int j=0; j<mid; j++, wk=wk*w1){
				auto x=a[i+j], y=wk*a[i+j+mid];
				a[i+j]=x+y, a[i+j+mid]=x-y;
			}
		}
	}
}

int main(){
	cin>>n>>m;
	for(int i=0; i<=n; i++) cin>>a[i].x;
	for(int i=0; i<=m; i++) cin>>b[i].x;
	
	while((1<<bit)<n+m+1) bit++; // 结果次数分布在 [0, n+m] 内,一共有 n+m+1 位。
	
	tot=1<<bit; // 得到上文所说的 n
	
	for(int i=0; i<tot; i++) rev[i]=(rev[i>>1]>>1)|((i&1)<<(bit-1));
	
	fft(a, 1), fft(b, 1); // 正变换 DFT
	
	for(int i=0; i<tot; i++) a[i]=a[i]*b[i];
	
	fft(a, -1); // 逆变换 IDFT
	
	for(int i=0; i<=n+m; i++) res[i]=(int)(a[i].x/tot+0.5), printf("%d ", res[i]);
	
	return 0;
}
posted @ 2021-10-21 16:27  HinanawiTenshi  阅读(649)  评论(0编辑  收藏  举报