FFT(快速傅里叶变换)学习笔记

2023-11-29 14:53:58

che dan环节：

概述

快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation)，简称$FFT$，它可以在$O(n \ log \ n)$的时间内算两个多项式的乘积的所有系数。

是一个听起来逼格很高，实际逼格更高的算法。

一些定义

下面我们来交代一些奇怪的东西。

一个$n$项$n-1$次多项式，$F(x) = a_0x^0 + a_1x^1 + \dots + a_{n-1}x^{n-1}$

则多项式$F(x)$可以用 __系数表示法__表示成$F(x) = \{ a_0,a_1,\dots,a_{n-1} \}$

方便的，我们可以把$F$看成一个数组，用$F[k]$表示多项式$F$的$k$次项系数，即$F[k] = a_k$，如果$F$不存在$k$次项的话系数就是零即$F[k] = 0$。

那么多项式$F$($n$次)，$G$($m$次)的乘积会得到一个$n + m$次多项式$H$就满足$H[k] = \sum\limits_{i = 0}^{k} F[i]G[k-i]$，按这样算多项式乘法就是$O(n^2)$的。

如果您是个明白人的话会发现多项式乘法就是一个加法卷积（当然如果不知道也没关系）。

多项式还有一个比较有用的表示法叫 点值表示法，就是把多项式看做函数。

记一个结论：用$n$个点能确定一个$n-1$次多项式 ~~意会，意会～~~。

即代$n$个$x$到$F(x)$里，就可以确定这个多项式$ F(x)$的$n$个系数(不要忘了常数项)。

假设我们代入的是$\{ x_0,x_1, \dots ,x_{n-1} \}$，令$y_i = F(x_i)$

那么$F(x)$就可以表示为$F(x) = \{ (x_0,y_0),(x_1,y_1), \dots,(x_{n-1},y_{n-1}) \}$

总结

总结一下，多项式$F(x) = a_0x^0 + a_1x^1 + \dots + a_{n-1}x^{n-1}$有两种表示方法

系数表示法：$F(x) = \{ a_0,a_1,\dots,a_{n-1} \}$
点值表示法：即把$F(x)$看做一个函数，用$n$个$x$就可以确定$F(x)$,$F(x) = \{ (x_0,y_0),(x_1,y_1), \dots,(x_{n-1},y_{n-1}) \}$

那这些有什么用呢？我们用系数表示法做乘法的复杂度是铁定$n$方的。

那用点值表示法呢？

如果要计算$F(x) \cdot G(x)$（$F$有$n$次，$G$有$m$次）的话，我们先把同一组$\{ x_i : 0 \le i \le n+m \}$（注意是$n + m + 1$个$x$，实际上多代了也不亏。）代入$F,G$，那么设$H(x) = F(x) \cdot G(x)$，多项式$H$的点值表示法就是
\[ H = \{ (x_0, F(x_0) \cdot G(x_0)),\dots,(x_{n+m},F(x_{n+m})\cdot G(x_{n+m})) \} \]
这样求出$F$和$G$的点至表示法后我们就可以通过$O(m +n)$的算出$H$的点值表示。

然后呢？然后啥啊。。。

我们会得到$n + m + 1 $个点，但我们要算各项的系数啊。

那咋算呢？$FFT$就是做的这个。

提前交代一下$FFT$的流程

$1.$ 先分别算出两个多项式的点值表示法（我们称之为绝活$DFT$）
$2.$ 把这些对应点分别乘起来，得到乘积多项式$H$的点值表示法
$3.$ 再把$H$的点值表示法转回系数表示法（即$DFT$的逆变换，我们叫它$IDFT$）

前置姿势

复数

定义

形如$z = a + bi$的数我们管他叫复数，其中$i = \sqrt{-1}$，我们称为虚数单位，实数$a$称为$z$的实部，实数$b$称为$z$的虚部。

一个复数$z = a + bi$可以用复平面上的一个点$(a,b)$表示。

复平面：

可以这么理解，把他当成直角坐标系的话，上面的一点$(x,y)$就对应了一个复数$x + iy$。

原来直角坐标系下的$x$轴在复平面下对应实轴（上面的数表示实部$a$），$y$轴上的数对应虚部$b$，我们叫虚轴。

模长：

复数所对应的点即到点$(0,0)$的距离，记为$|z|$。

辐角：

复数$a + bi$的辐角即实轴按逆时针方向旋转到点$(a,b)$的旋转角度，类似直角坐标系下的极角。

记为$arg (z)$

运算

加减法：

这个应该很好理解吧，实部虚部分别加减就好了，即$(a + bi) \pm (c+di) = (a\pm c) + (b\pm d)i$，

乘法

恩，这个比较重要。

可以暴力的乘起来：$(a + bi)(c + di) = ac + adi + cbi + bdi^2 = (ac - bd) + (ad + cb)i$（因为$i^2 = -1$）。

即点$(a,b)$与点$(c,d)$通过乘法得到点$(ac - bd,ad + cb)$

再记个结论：

设$z = z_0 \times z_1$，则$|z| = |z_0| \cdot |z_1|,arg(z) = arg(z_0) + arg(z_1)$

即 复数乘法，模长相乘，辐角相加（这玩意儿非常有用）

Code

这是复数运算的一些$Code$，并没有涉及到复数的除法，因为~~我不会~~$FFT$并不会用除法。

struct cpl{
    db x,y;
    cpl operator + (cpl k1)const{return (cpl){x+k1.x,y+k1.y};}
    cpl operator - (cpl k1)const{return (cpl){x-k1.x,y-k1.y};}
    cpl operator * (cpl k1)const{return (cpl){x*k1.x-y*k1.y,x*k1.y+y*k1.x};}
}

单位根

这个有点东西啊。

定义

可以理解为$x^n = 1$这个方程的根，我们称之为 $n$次单位根。

在实数域中，这个方程当$n$为奇数时有一个解$x = 1$，$n$为偶数时有两个解$x_0 = 1, x_1 =-1$

那扩展到复数域呢？

在复平面下，复数的乘法有一个非常$nb$的性质，叫 模长相乘，辐角相加（不知道的话百度一下吧！）

那么能成为$x^n = 1$这个方程的解的复数$x$，有一个前提条件叫$|x | = 1$（$x$的模长为$1$）。

那么单位根就只会在复平面的单位圆上（蛤？啥是单位圆）。

上图（单位圆）：

还有一点叫 辐角相加，那么$n$次单位根就一定是单位圆周上的$n$个$n$等分点。

因为这样的点辐角一定可以表示为$\frac{2 \pi}{n} \cdot k$（弧度制），自乘$n$次后辐角为$2 \pi k$，恰好绕圆周$k$圈后到点$(1,0)$

那么就表明$n$次单位根有且仅有$n$个，即单位圆周上的$n$等分点，一般的，我们把$n$次单位根记为$\omega_{n}^0,\omega_{n}^{1},\dots,\omega_{n}^{n-1}$

举个例子，$n = 4$时，有$4$个单位根，如图

性质

$(1)$ $\omega_{n}^{0} = 1$，显然。
$(2)$ $\omega_{n}^{k} = \left( \omega_{n}^{1} \right) ^ k$更一般的$(\omega_{n}^{k}) ^ i = \omega_{n}^{ik}$，结合复数乘法的性质，辐角相加，也非常显然。
$(3)$ $\omega_{n}^{i} \cdot \omega_{n}^{j} = \omega_{n}^{i + j}$

由$(2)$知$\omega_{n}^{i} = \left( \omega_{n}^{1} \right)^i, \omega_{n}^{j} = \left( \omega_{n}^{1} \right)^j$，则$\omega_{n}^{i} \cdot \omega_{n}^{j} = \left ( \omega_{n}^{1} \right)^{i+j} = \omega_{n}^{i + j}$
$(4)$ $\omega_{n}^{k} = \omega_{n}^{k \ mod \ n}$，即绕了一圈又回来了。那么$\omega_{n}^{-k} = \omega_{n}^{n-k}$。
$(5)$ 如果$n$是偶数，$\omega_{n}^{k+n/2} = -\omega_{n}^{k}$，跑了半个圆周，刚好到相反方向。
$(6)$ $\omega_{mn}^{mk} = \omega_{n}^{k}$，这个也挺显然的。

还有一些等用到了再说吧（其实鉴于复数乘法的优秀特性，这些性质都比较显然）。

好啦，前置姿势胡完了！

~~坐稳了！~~

DFT & IDFT

下面终于要讲一些有用的东西了。。。

DFT

上文也说了，$DFT$可以快速求多项式$F(x) = a_0x_0 + a_1x_1 + \dots + a_{n-1}x^{n-1}$（下面我们特别的规定$n$能表示成$2^k$）的一组点值表示。

上古时期，有一位名叫傅里叶的大佬，他发现把$\omega_{n}^{0},\dots,\omega_{n}^{n-1}$代入$F(x)$，鉴于单位根的一些性质，可以很快的完成$DFT$求出一组$F(x)$的点值表达。

为了方便，我们令$DFT(F(x)) = \{ (x_0,y_0),(x_1,y_1), \dots,(x_{n-1},y_{n-1}) \}$，其中$x_i = \omega_{n}^{i},y_i = F(x_i) $

我们也把$F(x)$的一个$DFT$看做一个数组，并设$G = DFT(F)$，有$G[k] = y_k$

傅里叶先把$F(x)$按次数奇偶分组，得到两个小一点大小均为$n/2$的多项式
\[ f(x) = F[0]x_0 + F[2]x^1 + \cdots + F[n-2]x^{n/2-1} \]

\[ g(x) = F[1]x_0 + F[3]x^1 + \dots + F[n-1]x^{n/2-1} \]

有$F(x) = f(x^2) + x\cdot g(x^2)$。

发现如果$x = \omega_{n}^{k} (k < n/2)$的话
\[ \begin{aligned}F(x) &= f((\omega_{n}^{k}) ^ 2) + \omega_{n}^{k} g((\omega_{n}^{k}) ^ 2) \\&= f(\omega_{n/2}^{k}) + \omega_{n}^{k} g(\omega_{n/2}^{k})\end{aligned} \]
我们设$f' = DFT(f), g' = DFT(g)$，那么有$G[k] = f'[k] + \omega_{n}^{k}g'[k] (k<n/2)$

那如果代入$x = \omega_{n}^{k + n/2}(k < n/2)$呢？
\[ \begin{aligned}F(x) &= f((\omega_{n}^{k+n/2}) ^ 2) + \omega_{n}^{k+n/2} g((\omega_{n}^{k+n/2}) ^ 2) \\&= f(\omega_{n/2}^{k+n/2}) + \omega_{n}^{k+n/2} g(\omega_{n/2}^{k+n/2}) \\&= f(\omega_{n/2}^{k}) - \omega_{n}^{k}g(\omega_{n/2}^{k})\end{aligned} \]
换句话说$G[k+n/2] = f'[k] - \omega_{n}^{k}g'[k] (k < n/2)$。

那么我们就有了两个柿子$k < n/2$：
\[ G[k] = f'[k] + \omega_{n}^{k}g'[k] \]

\[ G[k+n/2] = f'[k] - \omega_{n}^{k}g'[k] \]

我们只需要求出$f'[0...n/2-1]$和$g'[0...n/2-1]$就可以算出$G[0...n]$了。

这样我们就可以分治算$G$就可以了。

啊，忘了。可以用三角函数来算出$\omega_{n}^{1}$，然后自乘$k$次就可以得到$\omega_{n}^{k}$了。

Code

所以代码：

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef double db;
const db PI=acos(-1.0);
const int N=4e6+10;
struct cpl{
    db x,y;
    cpl operator + (cpl k1)const{return (cpl){x+k1.x,y+k1.y};}
    cpl operator - (cpl k1)const{return (cpl){x-k1.x,y-k1.y};}
    cpl operator * (cpl k1)const{return (cpl){x*k1.x-y*k1.y,x*k1.y+y*k1.x};}
}buf[N];
void dft(cpl *f,int n){
    if (n==1)return;
    for (int i=0;i<n;i++) buf[i]=f[i]; // 别忘了保存下来。
    cpl *L=f,*R=f+(n>>1); // 直接用f的空间。
    for (int i=0;i<(n>>1);i++) L[i]=buf[i<<1],R[i]=buf[i<<1|1];
    dft(L,n>>1),dft(R,n>>1);
    cpl w=(cpl){1,0},w1=(cpl){cos(2*PI/n),sin(2*PI/n)}; // w是不是很像$\omega$?
    for (int i=0;i<(n>>1);i++){ // 上文中的k
        buf[i]=L[i]+w*R[i];
        buf[i+(n>>1)]=L[i]-w*R[i];
        w=w*w1;     
    }
    for (int i=0;i<n;i++) f[i]=buf[i]; // 复制回来。
}
cpl f[N];
int main(){
    int n; scanf("%d",&n); // n次n-1项柿。
    for (int i=0;i<n;i++) scanf("%lf",&f[i].x); // 各项系数。
    int limit=1; while (limit<n) limit<<=1; // 注意补成n=2^k的形式
    dft(f,limit);
    for (int i=0;i<n;i++) printf("(%.3f,%.3f)\n",f[i].x,f[i].y);
    return 0;
}

IDFT

但只有$DFT$还是不够啊。。。我们还要把它再搞回系数表示。

于是就有了$DFT$的逆变换$IDFT $。

~~记个结论：~~

$DFT$那里我们已经知道了$G = DFT(F)$，且$G[k] = \sum\limits_{i = 0}^{n-1} (\omega_{n}^{k})^i F[i]$。

结论就是$n \cdot F[k] = \sum_{i=0}^{n-1} (\omega_{n}^{-k})^iG[i]$，证明还是要有滴~

等式右边
\[ \begin{aligned}\sum_{i=0}^{n-1} (\omega_{n}^{-k})^iG[i]&= \sum\limits_{i = 0} ^ {n - 1} \omega_{n}^{-ki} \sum\limits_{j = 0}^{n-1} (\omega_{n}^{i}) ^ j F[j] \\&= \sum\limits_{i = 0} ^ {n - 1} \omega_{n}^{-ki} \sum\limits_{j = 0}^{n-1} \omega_{n}^{ji} F[j] \\&= \sum\limits_{j = 0} ^ {n - 1} F[j] \sum\limits_{i=0}^{n-1} (\omega_{n}^{j-k})^i\end{aligned} \]
分类讨论一下

$j = k$时，因为$\omega_{n}^{0} = 0$，所以那一项的贡献就是
\[ F[j] \sum\limits_{i=0}^{n-1} (\omega_{n}^{j-k})^i = F[j] \cdot n \cdot 1 = n F[k] \]
$j \not = k$呢？观察到第二个$\sum$是个公比为$\omega_{n}^{j-k}$的等比数列。

求和一下
\[ \sum\limits_{i=0}^{n-1} (\omega_{n}^{j-k})^i = \frac{(\omega_{n}^{j-k})^n - (\omega_{n}^{j-k})^0}{\omega_{n}^{j-k}} \]
由于$(\omega_{n}^{j-k})^n = \omega_{n}^{n(j-k)} = \omega_{n}^{0} = 1,(\omega_{n}^{j-k})^0 = 1$，所以分子是$0$，这一项的贡献也是$0$。

因此$n \cdot F[k] = \sum_{i=0}^{n-1} (\omega_{n}^{-k})^iG[i]$。

这东西的本质好像是什么 ~~复读机~~单位根反演？不会。。。

这玩意儿直接在$DFT $的代码中改一个符号就好了。

Code

void idft(cpl *f,int n){
    if (n==1)return;
    for (int i=0;i<n;i++) buf[i]=f[i]; // 别忘了保存下来。
    cpl *L=f,*R=f+(n>>1); // 直接用f的空间。
    for (int i=0;i<(n>>1);i++) L[i]=buf[i<<1],R[i]=buf[i<<1|1];
    idft(L,n>>1),idft(R,n>>1);
    cpl w=(cpl){1,0},w1=(cpl){cos(2*PI/n), - sin(2*PI/n)}; // w是不是很像$\omega$?
                                    // 就是这个负号！
    for (int i=0;i<(n>>1);i++){
        buf[i]=L[i]+w*R[i];
        buf[i+(n>>1)]=L[i]-w*R[i];
        w=w*w1;     
    }
    for (int i=0;i<n;i++) f[i]=buf[i]; // 复制回来。
}

main里面别忘了$IDFT$后把每一项的值除以一个$n$。

Code

其实我们完全可以把$DFT \& IDFT$写一起，这样我们就得到了板子题的代码。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef double db;
const db PI=acos(-1.0);
const int N=4e6+10;
struct cpl{
    db x,y;
    cpl operator + (cpl k1)const{return (cpl){x+k1.x,y+k1.y};}
    cpl operator - (cpl k1)const{return (cpl){x-k1.x,y-k1.y};}
    cpl operator * (cpl k1)const{return (cpl){x*k1.x-y*k1.y,x*k1.y+y*k1.x};}
}buf[N];
void fft(cpl *f,int n,int k1){ // k1==1 ? DFT : IDFT
    if (n==1)return;
    for (int i=0;i<n;i++) buf[i]=f[i];
    cpl *L=f,*R=f+(n>>1);
    for (int i=0;i<(n>>1);i++) L[i]=buf[i<<1],R[i]=buf[i<<1|1];
    fft(L,n>>1,k1),fft(R,n>>1,k1);
    cpl w=(cpl){1,0},w1=(cpl){cos(2*PI/n),k1*sin(2*PI/n)};
    for (int i=0;i<(n>>1);i++){
        buf[i]=L[i]+w*R[i];
        buf[i+(n>>1)]=L[i]-w*R[i];
        w=w*w1;     
    }
    for (int i=0;i<n;i++) f[i]=buf[i];
}
cpl f[N],g[N];
int main(){
    int n,m; scanf("%d%d",&n,&m);
    for (int i=0;i<=n;i++) scanf("%lf",&f[i].x);
    for (int i=0;i<=m;i++) scanf("%lf",&g[i].x);
    int limit=1; while (limit<=n+m)limit<<=1; // 补项
    fft(f,limit,1),fft(g,limit,1); // DFT
    for (int i=0;i<limit;i++) f[i]=f[i]*g[i]; // 点值相乘，求出答案的点值表示。
    fft(f,limit,-1); // IDFT回系数表示
    for (int i=0;i<=m+n;i++) printf("%d ",(int)(f[i].x/limit+0.5)); // 别忘了除以n
    return 0;
}

然后愉快的交一发：23333

淦。。。我写了一个假的$FFT$......

常数优化

我$O(n \ log \ n)$的那么优秀的复杂度啊！咋$T$了呢？

冷静分析.jpg......

注意到板子题里$n \le 10^6$，再加上我们要做两边$DFT$和一边$IDFT$，每次复杂度是$n \ log \ n$的，还有系统栈的巨大常数。。。

好吧，下面我们来卡卡常。

首先观察我们$DFT \& IDFT$的过程。

第一层：0 1 2 3 4 5 6 7  (f数组的下标)
第二层：0 2 4 6|1 3 5 7 
第三层：0 4|2 6|1 5|3 7 
第四层：0|4|2|6|1|5|3|7

发现原来$f$数组中的第$i$个数会出现在最后一层中第($i$的二进制翻转)个数中。

举个例子，$1:(001)_2$出现在了$4: (100)_2$上，$3: (011)_2$出现在了$6:(110)_2$上。

这样我们就可以把最后一层的情况求出来，然后再递归分治。

那怎么求最后一层呢？也就是求$i$的二进制翻转。（这个好像叫蝴蝶变换）

设补完项后的多项式长度为limit，令rev[i]表示$i$的二进制翻转，则rev[i]=rev[i>>1]>>1|((i&1)?limit>>1:0)，即不看$i$的最低位，把i>>1翻转过来后再把$i$的最低位拼上去。另外我们还能省几个数组。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N=4e6+10;
typedef double db;
const db PI=acos(-1.0);
struct cpl{
    db x,y;
    cpl(db xx=0,db yy=0):x(xx),y(yy){}
    cpl operator + (cpl k1)const{return cpl(x+k1.x,y+k1.y);}
    cpl operator - (cpl k1)const{return cpl(x-k1.x,y-k1.y);}
    cpl operator * (cpl k1)const{return cpl(x*k1.x-y*k1.y,x*k1.y+y*k1.x);}
};
void fft(cpl *f,int n,int k1){
    if (n==1) return;
    fft(f,n>>1,k1),fft(f+(n>>1),n>>1,k1);
    cpl w(1,0),w1(cos(2*PI/n),sin(2*PI/n)*k1);
    for (int i=0;i<(n>>1);i++){
        cpl tmp=w*f[i+(n>>1)];
        f[i+(n>>1)]=f[i]-tmp; // 注意这里的赋值顺序！
        f[i]=f[i]+tmp;
        w=w*w1;
    }
}
int rev[N];
void change(cpl *f,int n){
    for (int i=0;i<n;i++) if (i<rev[i]) swap(f[i],f[rev[i]]);
}
cpl f[N],g[N];
int main(){
    int n,m; scanf("%d%d",&n,&m);
    for (int i=0;i<=n;i++) scanf("%lf",&f[i].x);
    for (int i=0;i<=m;i++) scanf("%lf",&g[i].x);
    int limit=1,len=0; while (limit<=n+m) limit<<=1,len++;
    for (int i=0;i<limit;i++) rev[i]=rev[i>>1]>>1|((i&1)?limit>>1:0);
    change(f,len),change(g,len);
    fft(f,limit,1),fft(g,limit,1);
    for (int i=0;i<limit;i++) f[i]=f[i]*g[i];
    change(f,len),fft(f,limit,-1);
    for (int i=0;i<=n+m;i++) printf("%d ",(int)(f[i].x/limit+0.5));
    return 0;
}

欸！那我们为什么不能直接自底向上合并呢？这样还省去了系统栈的常数。

最终Code

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N=4e6+10;
typedef double db;
const db PI=acos(-1.0);
struct cpl{
    db x,y;
    cpl operator + (cpl k1)const{return (cpl){x+k1.x,y+k1.y};}
    cpl operator - (cpl k1)const{return (cpl){x-k1.x,y-k1.y};}
    cpl operator * (cpl k1)const{return (cpl){x*k1.x-y*k1.y,x*k1.y+y*k1.x};}
};
int rev[N];
void fft(cpl *f,int n,int k1){
    for (int i=0;i<n;i++) if (rev[i]>i)swap(f[rev[i]],f[i]);
    for (int len=2;len<=n;len<<=1){
        cpl w1=(cpl){cos(2*PI/len),sin(2*PI/len)*k1};
        for (int i=0;i<n;i+=len){
            cpl w=(cpl){1,0};
            for (int j=i;j<i+(len>>1);j++){
                cpl tmp=w*f[j+(len>>1)];
                f[j+(len>>1)]=f[j]-tmp;
                f[j]=f[j]+tmp;
                w=w*w1;
            }
        }       
    }
}
cpl f[N],g[N];
int main(){
    int n,m; scanf("%d%d",&n,&m);
    for (int i=0;i<=n;i++) scanf("%lf",&f[i].x);
    for (int i=0;i<=m;i++) scanf("%lf",&g[i].x);
    int limit=1; for(;limit<=n+m;limit<<=1);
    for (int i=0;i<limit;i++) rev[i]=rev[i>>1]>>1|((i&1)?limit>>1:0);
    fft(f,limit,1),fft(g,limit,1);
    for (int i=0;i<limit;i++) f[i]=f[i]*g[i];
    fft(f,limit,-1);
    for (int i=0;i<=n+m;i++) printf("%d ",(int)(f[i].x/limit+0.5));
    return 0;
}

这样我们就能过模板题了。

码农公寓

che dan环节：

概述

一些定义

总结

前置姿势

复数

定义

复平面：

模长：

辐角：

运算

加减法：

乘法

Code

单位根

定义

性质

DFT & IDFT

DFT

Code

IDFT

Code

Code

常数优化

最终Code

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