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一个蒟蒻对FFT的理解（蒟蒻也能看懂的FFT）

2018-06-17 20:46:33来源：未知阅读 ()

建议同学们先自学一下“复数（虚数）”的性质、运算等知识，不然看这篇文章有很大概率看不懂。

前言

作为一个典型的蒟蒻，别人的博客都看不懂，只好自己写一篇了。

膜拜机房大佬 HY

一. FFT是蛤？？

FFT (快速傅里叶变换) 的作用是在 O(nlogn) 时间算出多项式乘法的一个特别神奇的算法。

大家平时码的多项式乘法都是 O(n^2) 的吧

 1 #include<iostream>
 2 #include<cstdio>
 3 using namespace std;
 4 
 5 int n,m,a[10005],b[10005],c[20005];
 6 
 7 int main(){
 8     scanf("%d%d",&n,&m);
 9     for(int i=0;i<n;i++)scanf("%d",a+i);
10     for(int i=0;i<m;i++)scanf("%d",b+i);
11     for(int i=0;i<n;i++)
12     for(int j=0;j<m;j++)c[i+j]+=a[i]*b[j];
13     for(int i=0;i<n+m-1;i++)
14         printf("%d ",c[i]);
15 }

但这个算法并不能解决什么问题。

n<=100000 恭喜你，你成功TLE了，这时就要用到FFT了！！（是不是很激动？）

二. 算法思想

相信大家十分想知道这神奇的算法是怎么工作的。我们平时表达多项式的方法是系数表示法，而我们要把这个多项式换成另一个神奇的表达方法——点值表示法。这种神奇的表示法可以在 O(n) 的时间内算出多项式乘法，可是很遗憾，要想让这两种表示法互相转化任是需要 O(n^2) 的时间，而FFT的核心就是在 O(nlogn) 的时间内实现转换。

三. 系数表示法和点值表示法

系数表示法

就是用一个多项式的各个项的系数表示这个多项式，也就是我们平时所用的表示法。例如，我们可以这样表示：

f(x)=a₀+a₁x¹+a₂x²+..+a_nxⁿ?f(x)={a₀,a₁,a₂,..,a_n}

这就像是我们用数组存一个多项式一样

点值表示法

就是把这个多项式理解成一个函数，用这个函数上的若干个点的坐标来描述这个多项式。（两点确定一条直线，三点确定一条抛物线…同理n+1个点确定一个n次函数）

因此表示成这样：（注意：x[0]->x[n]是n+1个点）

f(x)=a₀+a₁x+a₂x²+..+a_nxⁿ?f(x)={(x₀,y₀),(x₁,y₁),(x₂,y₂),..,(x_n,y_n)}

为什么n+1个确定的点能确定一个唯一的多项式呢？你可以尝试着把这n+1个点的值分别代入多项式中：

如图，我们把相应的 x 与 y 的值代入，就能的到n+1个方程，也就能解出n+1个位置数，即数组 a，这样也就确定了一个多项式。

四. 点值表达式的乘法

现在，考虑这样一个问题，如果我有两个用点值表示的多项式，如何表示它们两个多项式的乘积呢？

我们令这两个点值表达式的 x 值相等，则会有一组唯一确定的 y 值。

f(x)={(x0,f(x0)),(x1,f(x1)),(x2,f(x2)),..,(xn,f(xn))}

g (x) = {(x 0, g (x 0)), (x 1, g (x 1)), (x 2, g (x 2)), . .

思考一下，很容易得出，如果 x 的取值相同，结果多项式的值就是两个因式的值的乘积 也就是说，如果我把两个函数的点值表示法中的 x 值相同的点的 y 值乘在一起就是它们的乘积（新函数）的点值表示。 这就可以O(n)计算多项式乘法。

五. 复数

我们把形如a+bi（a,b均为实数）的数称为复数，其中a称为实部，b称为虚部，i称为虚数单位。当虚部等于零时，这个复数可以视为实数；当z的虚部不等于零时，实部等于零时，常称z为纯虚数。　　　————百度百科

这是复数的定义，不过为什么要用复数呢？？除非作者脑子有问题，不然肯定不会讲无关的东西

虽然点值表达式的乘法是O(n)的，可我们求的是系数表达式，而系数表达式与点值表达式的转换却是O(n^2)

复数的引用可以对这里进行优化。优化的方法我们下面再说。

我们给定一个坐标系，横轴表示 a，纵轴表示 b，这样所有的复数都可以在这里表示出来，这便是复数的几何意义。更多关于复数的内容请自行了解在这就不阐述了

然后，思考一个简单的问题：两个复数的乘法有没有某种特定的几何意义？（只是一个数学性质，在此不进一步深究，可用三角函数证明。)

如图可得，复数的乘法，长度相乘，极角相加。

六. 单位复根

现在，回到我们刚才讲到的“点值表示法”的问题，要想转化，也就是要解一个n+1元的方程组。

当我们计算 $x_{0} ， x_{0}^{2} ， . . . ， x_{0}^{n}$

但是我们要至少带进去n+1个不同的数才能进行系数表示。这时就要用到复数了！

我们需要的是满足“ $ω^{k} = 1$

看上图中的红圈，红圈上的每一个点距原点的距离都是1个单位长度，所以说如果说对这些点做k次方运算，它们始终不会脱离这个红圈。

因为它们在相乘的时候r始终=1，只是θ的大小在发生改变。而这些点中有无数个点经过k次方之后可以回到“1”。

因此，我们可以把这样的一组神奇的x带入函数求值。像这种能够通过k次方运算回到“1”的数，我们叫它“复根”用“ω”表示。

你会发现：其实k次负根就相当于是给图中的圆周平均分成k个弧，弧与弧之间的端点就是“复根”，我们只需要知道ω_n¹，就能求出ω_n^k。所以我们称“ω_n¹”为“单位复根”。
其实，我们用“ω_k”表示单位复根，ω_k¹表示的是“单位复根”的“1次方”也就是它本身，其他的就叫做 k 次单位复根的 n 次方。

七. FFT 之 DFT

前面的复数都是数学的内容，所以讲的比较简略，不过也终于到正题 FFT 了！

DFT 是 FFT 中将系数表达式转变为点值表达式的过程。

我们把多项式的系数表达式，换成 x 值为 ω_n^k 的点值表达式。

f(x)=a₀+ a₁*x + a₂*x²+ a₃*x³+ ...... + a_n-1*x^n-1

f(x)={(ω_n⁰,y₀),(ω_n¹,y₁),(ω_n²,y₂), ...... ,(ω_n^n-1,y_n-1)}

然后我们可以将 x 值（ω_n^k）省略，只储存 y₀ , y₁ , ......， y_n

可我们将 ω_n^k带入 x 后又能怎么优化呢？我们可以尝试一下分治思想。

将 ω_n^k 和 ω_n^k+n/2

$F( ω n k)=G(ω n 2k)+ω n k * H(ω n 2k)$

$=G(ω n 2k) + ω n k * H(ω n 2k)$

 1 const double PI=acos(-1);    //圆周率 π
 2 typedef complex<double> cmplx;//我比较懒，就用了STL自带的复数类 
 3 void DFT(int len,cmplx a[]){
 4     if(len==1)return;    //只有一个常数项 
 5     cmplx a1[len>>1],a2[len>>1];
 6     for(int i=0;i<=len;i+=2)    //根据下标的奇偶性分类 
 7         a1[i>>1]=a[i],a2[i>>1]=a[i+1];
 8     FFT(len>>1,a1),FFT(len>>1,a2);
 9     cmplx W=exp(cmplx(0,PI/len));//求为单位根ω
10     cmplx w=cmplx(1,0);    //w表示0~n-1次幂，初始为0次幂 1 
11     for(int i=0;i<(len>>1);i++,w=w*W){
12         a[i]=a1[i]+w*a2[i];        //上文我们推导的性质 
13         a[i+(len>>1)]=a1[i]-w*a2[i];
14         //利用单位根的性质，O(1)得到另一部分 
15     }
16 }

是不是很友好？可是递归实现的缺点也很显著，空间都消耗巨大，所以我们就要模拟递归了。

递归的时候，我们是将多项式奇偶拆开，如图

这看似拆出来没什么规律，但我们试着把数换为二进制，又会发生什么呢？

拆完后的多项式竟然是原来的二进制翻转！！！我们就可以这样通过倍增来模拟递归了！！！

 1 const double PI=acos(-1);
 2 typedef complex<double> cmplx;
 3 
 4 void get_rev(){        //求二进制反转 
 5     while(bit<=n)bit<<=1;    //bit为最大二进制位长度的值 
 6     for(int i=0;i<bit;i++)
 7     rev[i]=(rev[i>>1]>>1)|(i&1)*(bit>>1);
 8 }
 9 
10 void DFT(cmplx a[]){
11     for(int i=0;i<bit;i++)
12         if(i<rev[i])swap(a[i],a[rev[i]]);
13     //根据rev数组进行二进制反转 
14     for(int i=1;i<bit;i<<=1){    //倍增模拟递归 
15         cmplx W=exp(cmplx(0,PI/i));
16         for(int j=0;j<bit;j+=i<<1){    //一组一组处理 
17             cmplx w(1,0);  //同递归版代码 
18             for(int k=j;k<j+i;k++,w*=W){ //同递归版代码      
19                 cmplx x=a[k];
20                 cmplx y=w*a[k+i];
21                 a[k]=x+y,a[k+i]=x-y;
22             }
23         }
24     }
25 }

虽然丑了，不过优秀了许多。

八. FFT 之 IDFT

我们将系数表示法转为点值表示法，总要把它变回来，而变回来的过程就是 IDFT 了。

IDFT似乎要矩阵的知识证明（而我不会，尴不尴尬），于是乎，我就只亮一波代码好了！

 1 void IDFT(cmplx a[]){
 2     for(int i=0;i<bit;i++)
 3         if(i<rev[i])swap(a[i],a[rev[i]]);
 4     for(int i=1;i<bit;i<<=1){
 5         cmplx W=exp(cmplx(0,-PI/i));
 6         for(int j=0;j<bit;j+=i<<1){
 7             cmplx w(1,0);
 8             for(int k=j;k<j+i;k++,w*=W){     
 9                 cmplx x=a[k];
10                 cmplx y=w*a[k+i];
11                 a[k]=x+y,a[k+i]=x-y;
12             }
13         }
14     }
15     for(int i=0;i<bit;i++)a[i]/=bit;
16 }

你会发现，这只是几个符号的差别（所以你也不是很必要知道原理了吧，好奇的同学只能自己探索了）

其实我们可以吧 DFT 和 IDFT 合并成一个函数

 1 void FFT(cmplx a[],int dft){  //1是DFT，-1是IDFT 
 2     for(int i=0;i<bit;i++)
 3         if(i<rev[i])swap(a[i],a[rev[i]]);
 4     for(int i=1;i<bit;i<<=1){
 5         cmplx W=exp(cmplx(0,dft*PI/i));
 6         for(int j=0;j<bit;j+=i<<1){
 7             cmplx w(1,0);
 8             for(int k=j;k<j+i;k++,w*=W){     
 9                 cmplx x=a[k];
10                 cmplx y=w*a[k+i];
11                 a[k]=x+y,a[k+i]=x-y;
12             }
13         }
14     }
15     if(dft==-1)for(int i=0;i<bit;i++)a[i]/=bit;
16 }

九. 总结

法法塔到这也就结束了，没什么好说，再亮一波FFT代码

洛谷 P3803 【模板】多项式乘法（FFT）

 1 #include<iostream>
 2 #include<cstdio>
 3 #include<complex>
 4 using namespace std;
 5 
 6 const double PI=acos(-1);
 7 typedef complex<double> cmplx;
 8 cmplx a[2500005],b[2500005];
 9 int m,n,x,bit=2,rev[2500005];
10 int output[2500005];
11 
12 void get_rev(){
13     for(int i=0;i<bit;i++)
14     rev[i]=(rev[i>>1]>>1)|(bit>>1)*(i&1);
15 }
16 
17 void FFT(cmplx *a,int dft){
18     for(int i=0;i<bit;i++)
19         if(i<rev[i])swap(a[i],a[rev[i]]);
20     for(int i=1;i<bit;i<<=1){
21         cmplx W=exp(cmplx(0,dft*PI/i));
22         for(int j=0;j<bit;j+=i<<1){
23             cmplx w(1,0);
24             for(int k=j;k<j+i;k++,w=w*W){
25                 cmplx x=a[k];
26                 cmplx y=w*a[k+i];
27                 a[k]=x+y,a[k+i]=x-y;
28             }
29         }
30     }
31     if(dft==-1)
32     for(int i=0;i<bit;i++)a[i]/=bit;
33 }
34 
35 int main(){
36     scanf("%d%d",&n,&m);
37     while(bit<=n+m)bit<<=1;
38     for(int i=0;i<=n;i++)
39         scanf("%d",&x),a[i]=x;
40     for(int i=0;i<=m;i++)
41         scanf("%d",&x),b[i]=x;
42     get_rev();
43     FFT(a,1),FFT(b,1);
44     for(int i=0;i<bit;i++)a[i]*=b[i];
45     FFT(a,-1);
46     for(int i=0;i<bit;i++)
47         output[i]+=a[i].real()+0.5;
48     for(int i=0;i<=n+m;i++)
49         printf("%d ",output[i]);
50 }