问题

如何看待O(n log n)时间的整数乘法算法?

回答
O(n log n) 整数乘法算法:一次效率的飞跃

在计算机科学的世界里,算法的效率是衡量一个解决方案优劣的关键指标。对于我们日常生活中无处不在的整数乘法,其背后的算法也在不断演进,追求更快的速度。当我们将目光投向那些需要处理巨量整数的场景时,那些看似微小的效率提升,累积起来就能带来惊人的改变。今天,我们就来聊聊一种标志着整数乘法效率质变的算法——O(n log n) 时间复杂度的乘法。

背景:为什么我们需要更快的乘法?

你可能要问,普通的“竖式乘法”不就行了吗?对于我们日常生活中处理的数字,确实如此。比如,123 乘以 456,我们习惯于按照位来相乘、相加,这在数学上非常直观。

但想象一下,如果我们要计算的是一个拥有几百万甚至上亿位的数字的乘法,传统的竖式乘法就会变得无比缓慢。它的时间复杂度是什么呢?如果两个 n 位的数字相乘,传统的竖式乘法需要进行大约 n 次的乘法运算,每一次乘法运算涉及到一位数与一个 n 位的数字相乘,以及 n1 次的加法运算。所以,整体来看,它的时间复杂度大约是 O(n^2)。

当 n 变得非常大时,n^2 的增长速度是非常惊人的。例如,如果 n 是 10^6,那么 n^2 就是 10^12,这将需要天文数字般的计算量,在现实世界中几乎是不可能完成的任务。

因此,对于密码学、科学计算、大数据处理等领域,我们需要更高效的整数乘法算法。O(n log n) 的算法,就是为了解决这个问题而诞生的。

O(n log n) 的魔力:分而治之的智慧

O(n log n) 这种时间复杂度,往往与“分治”思想(Divide and Conquer)紧密相关。这种思想的核心是将一个大问题分解成若干个小问题,然后分别解决这些小问题,最后再将它们的解组合起来,得到原问题的解。

在整数乘法领域,最著名和最早实现 O(n log n) 时间复杂度的算法是 Karatsuba 算法,虽然 Karatsuba 算法本身是 O(n^log2(3)),大约是 O(n^1.585),比 O(n log n) 稍慢,但它却是 O(n^2) 到 O(n log n) 之间的重要过渡。而真正将乘法效率推向 O(n log n) 的关键,则离不开 傅里叶变换 (Fast Fourier Transform, FFT) 的强大力量。

傅里叶变换:从乘法到卷积再到乘法

乍一听,傅里叶变换似乎和整数乘法毫无关系,它更多地出现在信号处理、图像处理等领域。但令人惊叹的是,数学的共通性使得傅里叶变换能够被巧妙地应用于整数乘法。

整个过程可以概括为:

1. 将整数表示为多项式: 假设我们要计算两个 n 位整数 A 和 B 的乘积。我们可以将 A 和 B 分别看作是某个基数(例如 10 或 2)的幂次之和。例如,一个三位数 123,可以表示为 $1 cdot 10^2 + 2 cdot 10^1 + 3 cdot 10^0$。这就像是将一个整数“编码”成了一个多项式,其中每个数字是多项式的系数。

2. 多项式乘法转化为系数乘法: 两个整数 A 和 B 的乘积,其实就对应着它们所代表的两个多项式 P(x) 和 Q(x) 的乘积 R(x) = P(x) Q(x)。多项式乘法的规则是,如果 P(x) = $sum_{i=0}^{n1} a_i x^i$ 且 Q(x) = $sum_{j=0}^{n1} b_j x^j$,那么 R(x) = $sum_{k=0}^{2n2} c_k x^k$,其中 $c_k = sum_{i=0}^{k} a_i b_{ki}$。这个 $c_k$ 的计算方式,正是卷积 (Convolution) 的定义。

3. 傅里叶变换的神奇:将卷积转化为点乘: 卷积操作,在传统的计算方法中,仍然需要 O(n^2) 的时间。而傅里叶变换的精髓在于,它能够将“卷积”这样的复杂运算,在频域(或者说变换域)转化为“点乘”(Elementwise product)这样简单得多的运算。

具体来说,我们先对多项式 P(x) 和 Q(x) 进行傅里叶变换,得到它们的“点值表示”(Pointwise evaluation)。点值表示可以理解为,在选取一些特定的 x 值时,多项式 P(x) 和 Q(x) 的取值。

有了 P(x) 和 Q(x) 在这些特定 x 值处的取值(即点值),我们将它们对应位置上的值相乘,就得到了 R(x) 在这些特定 x 值处的取值。

4. 逆傅里叶变换:从点值回到多项式: 最后,我们再对这些相乘后的点值进行逆傅里叶变换 (Inverse Fourier Transform),就能重建出 R(x) 的系数,从而得到两个整数相乘的结果。

FFT 算法的效率所在:

核心在于傅里叶变换(以及逆傅里叶变换)本身的计算效率。著名的 快速傅里叶变换 (FFT) 算法,能够将原本需要 O(n^2) 时间的离散傅里叶变换(DFT)的计算,加速到 O(n log n) 的时间。

因此,整个 O(n log n) 整数乘法算法的流程是:

将整数 A 和 B 表示为多项式 $P(x)$ 和 $Q(x)$。
对 $P(x)$ 和 $Q(x)$ 进行 FFT 变换,得到点值表示。这一步的时间复杂度是 O(n log n)。
将两个点值表示对应项相乘。这一步有 O(n) 个点值,计算量是 O(n)。
对乘积后的点值进行逆 FFT 变换,得到结果多项式 $R(x)$ 的系数。这一步的时间复杂度是 O(n log n)。

综合起来,最耗时的步骤是 FFT 和逆 FFT,它们的总时间复杂度就是 O(n log n)。

更进一步:SchönhageStrassen 算法

虽然基于 FFT 的算法已经实现了 O(n log n) 的时间复杂度,但严格来说,这是一种近似 O(n log n) 的算法。更精确地说,它大约是 O(n log n log log n)。

而 SchönhageStrassen 算法 是第一个真正意义上理论上达到 O(n log n) 时间复杂度的乘法算法。它也是利用了卷积定理,但使用了数论变换(Number Theoretic Transform, NTT)来代替 FFT。NTT 是在有限域上进行的傅里叶变换,它避免了 FFT 中可能出现的浮点数精度问题,并且在某些模数下可以精确计算。

SchönhageStrassen 算法通过一种巧妙的方式,将大整数乘法转化为在多个较小的模数下进行卷积,然后通过中国剩余定理 (Chinese Remainder Theorem, CRT) 将结果组合起来。它的复杂度为 O(n log n)。

实际意义与影响

O(n log n) 的整数乘法算法,尤其是基于 FFT 的变种,对现代计算产生了深远的影响:

密码学: 许多公钥密码学算法(如 RSA)需要处理非常大的整数,高效的乘法是这些算法实现效率的基石。
科学计算: 模拟物理现象、进行大规模数据分析等,都需要对大量数值进行精确计算,O(n log n) 的乘法能够显著缩短计算时间。
信号处理与图像处理: 虽然我们这里讨论的是整数乘法,但 FFT 本身在这些领域的应用也非常广泛,它展示了数学工具的通用性。
软件库优化: 许多编程语言和数学库(如 Python 的 `numpy`、C++ 的 GMP 库)都实现了这些高效的乘法算法,为开发者提供了底层支持。

总结

O(n log n) 时间复杂度的整数乘法算法,是计算机科学领域一项了不起的成就。它通过将乘法问题巧妙地转化为多项式乘法,再借助傅里叶变换(或数论变换)将卷积运算加速到线性对数级别,极大地提升了处理巨量整数的效率。这不仅是一个理论上的突破,更是对我们能够解决的计算问题的边界的拓展,让许多曾经遥不可及的计算任务成为了可能。从简单的竖式乘法到复杂的傅里叶变换,数学的精妙与算法的智慧在此完美地结合,驱动着计算的进步。

网友意见

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怎么看?跪着看呗。不过这次的结果虽然令人五体投地,但对工业界来说影响不一定会很大。

早在1971年,整数乘法的时间复杂度就已经被德国数学家推到 了,也就是著名的Schönhage–Strassen算法。其基本原理是

  1. 对两个长度为n的大整数分别做一次环上的FFT,转换为频域分布。
  2. 对两个整数的频域分布做pointwise multiplication,得到乘积的频域分布。
  3. 对乘积的频域分布做一次环上的IFFT,由此得到乘积。

而这次的新算法,姑且叫Harvey-van der Hoeven算法吧,是在原本的Schönhage–Strassen算法上做了一次改进。原本的算法是在一个一维的一元多项式环上完成的,两位大佬发现如果把问题转换到多元多项式环上面的话,同样的计算就可以更加高效地完成。

于是在这篇论文里,两位大佬先是花了1.2.1和1.2.2两节讨论了如何把整数乘法从一维多项式环拓展到高维,然后在2、3、4节里讨论了高维多项式环的相关运算,最后第5节证了一个时间复杂度,功成名就,圆满收工。


那么,我为什么说这次的新算法对工业界影响有限呢?因为在新算法之前,已经有不少Schönhage–Strassen算法的优化算法了,目前最快的时间复杂度是 。这个 是个什么概念呢?是说哪怕你的整数长度为 位, 也仅仅只有256而已。

而新算法在加速的同时,还引入了不少额外的开销(高维多项式环的转换、存取、计算等)。论文里面证明环的维度需要达到 ,时间复杂度才会收敛在 上。那么这个算法实际落地之后,可能只有在运算一些没有实用价值的天文数字时才能超越现有的算法。

因此,在这个算法落地之前,我们暂时还没法保证它一定是某种解决问题的灵丹妙药,只能先保持观望态度了。

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