多項式的基本運算 FFT和NTT 總結

2022-05-12 15:51:11 字數 1598 閱讀 9070

設參與運算的多項式最高次數是n,那麼多項式的加法,減法顯然可以在o(n)時間內計算。

所以我們關心的是兩個多項式的乘積。樸素的方法需要o(n^2)時間,並不夠優秀。

考慮優化。

方案一:分治乘法。

對於多項式x,y,假設各有2m項,(即最高次數是2m-1)

x,y分別可以用兩個含m項的多項式來表示,即:

則由此可見,為了計算xy,只需計算出ac, (a+b)(c+d), bd,然後用多項式加減法求得xy即可。

設含有m項的多項式相乘的時間為t(m)

則於是容易算出時間複雜度是

,約等於

以上方法的優點在於,**難度低,思維難度低,多項式係數任意,對運算沒有任何限制。

缺點在於:太慢了!

方案二:fft / ntt

這種方法除了快之外,沒有任何優點。但仍是一種好方法。

fft的詳細推導不再描述,這裡只是簡單的總結。

對於多項式乘法,有一種思路,

a. 是先從係數表示法轉換為點值表示法,

b. 然後乘起來(得到乘積式的點值表示法),

c. 最後從點值表示法轉變回係數表示法。

對於操作a,很容易做到o(n^2),

對於操作b,很容易做到o(n),

對於操作c,用高斯消元可以做到o(n^3),用拉格朗日插值法可以做到o(n^2)。

fft則是利用了單位根的性質,將操作a和操作c優化到了o(nlogn)。

雖然在複數域中永遠存在單位根,但是容易出現精度問題。

ntt並沒有用複數域的單位根。

當某兩個多項式相乘,係數對某一模數取模的時候,必須存在2^k次(2^k>=2n)單位根,且必須存在2的逆元。

當模數p是形如 998244353 的質數時,998244353 = 7 × 17 × 2^23 + 1,( 2^k | phi(p) )

設p的原根是g,則模p意義下,2^k次單位根是

。當模數並不是滿足要求的模數,我們可以知道,一次多項式乘法的結果,每一位上的數不超過n*p*p。

我們可以取多個不同的ntt模數,使得它們的乘積大於n*p*p。對每乙個ntt模數做一次多項式乘法,最後用中國剩餘定理計算即可。

我們定義多項式a的乘法逆元b,滿足a*b=1。

多項式求逆能解決多項式除法等一系列問題,因為x/y=x*y的逆元。

我們首先證明,多項式a存在乘法逆元的充要條件是a的常係數存在逆元。

必要性顯然,因為a的常數項*b的常數項=1。

由此,我們可以求出b的常數項,接著推出一次項係數,二次項係數...

所以乘法逆元存在且唯一,充分性同樣顯然。

為了求逆元,一種方法是o(n^2),即先求常數項,再推出一次項係數,繼續推完整個多項式。

還有一種用o(nlogn)時間計算乘法逆元的方法,

先求出a(x)的常數項的逆元b,初始化b(x)=b,則

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