快速傅里叶变换

前置知识：复数。

本文将介绍一种算法，它支持在 的时间内计算两个 度的多项式的乘法，比朴素的 算法更高效。由于两个整数的乘法也可以被当作多项式乘法，因此这个算法也可以用来加速大整数的乘法计算。

引入

我们现在引入两个多项式 和 ：

两个多项式相乘的积 ，我们可以在 的时间复杂度中解得（这里 为 或者 多项式的度）：

很明显，多项式 的系数 满足 。而对于这种朴素算法而言，计算每一项的时间复杂度都为 ，一共有 项，那么时间复杂度为 。

能否加速使得它的时间复杂度降低呢？如果使用快速傅里叶变换的话，那么我们可以使得其复杂度降低到 。

傅里叶变换

傅里叶变换（Fourier Transform）是一种分析信号的方法，它可分析信号的成分，也可用这些成分合成信号。许多波形可作为信号的成分，傅里叶变换用正弦波作为信号的成分。

设 是关于时间 的函数，则傅里叶变换可以检测频率 的周期在 出现的程度：

它的逆变换是

逆变换的形式与正变换非常类似，分母 恰好是指数函数的周期。

傅里叶变换相当于将时域的函数与周期为 的复指数函数进行连续的内积。逆变换仍旧为一个内积。

傅里叶变换有相应的卷积定理，可以将时域的卷积转化为频域的乘积，也可以将频域的卷积转化为时域的乘积。

离散傅里叶变换

离散傅里叶变换（Discrete Fourier transform，DFT）是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其 DTFT（discrete-time Fourier transform）的频域采样。

傅里叶变换是积分形式的连续的函数内积，离散傅里叶变换是求和形式的内积。

设 是某一满足有限性条件的序列，它的离散傅里叶变换（DFT）为：

其中 是自然对数的底数， 是虚数单位。通常以符号 表示这一变换，即

类似于积分形式，它的 逆离散傅里叶变换（IDFT）为：

可以记为：

实际上，DFT 和 IDFT 变换式中和式前面的归一化系数并不重要。在上面的定义中，DFT 和 IDFT 前的系数分别为 和 。有时我们会将这两个系数都改 。

离散傅里叶变换仍旧是时域到频域的变换。由于求和形式的特殊性，可以有其他的解释方法。

如果把序列 看作多项式 的 项系数，则计算得到的 恰好是多项式 代入单位根 的点值 。

这便构成了卷积定理的另一种解释办法，即对多项式进行特殊的插值操作。离散傅里叶变换恰好是多项式在单位根处进行插值。

例如计算：

定义函数 为：

然后可以发现，代入四次单位根 得到这样的序列：

于是下面的求和恰好可以把其余各项消掉：

因此这道数学题的答案为：

这道数学题在单位根处插值，恰好构成离散傅里叶变换。

矩阵公式

由于离散傅立叶变换是一个 线性 算子，所以它可以用矩阵乘法来描述。在矩阵表示法中，离散傅立叶变换表示如下：

其中 。

快速傅里叶变换

FFT 是一种高效实现 DFT 的算法，称为快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）。它对傅里叶变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。快速数论变换（NTT）是快速傅里叶变换（FFT）在数论基础上的实现。

在 1965 年，Cooley 和 Tukey 发表了快速傅里叶变换算法。事实上 FFT 早在这之前就被发现过了，但是在当时现代计算机并未问世，人们没有意识到 FFT 的重要性。一些调查者认为 FFT 是由 Runge 和 König 在 1924 年发现的。但事实上高斯早在 1805 年就发明了这个算法，但一直没有发表。

分治法实现

FFT 算法的基本思想是分治。就 DFT 来说，它分治地来求当 的时候 的值。基 - 2 FFT 的分治思想体现在将多项式分为奇次项和偶次项处理。

举个例子，对于一共 项的多项式：

按照次数的奇偶来分成两组，然后右边提出来一个 ：

分别用奇偶次次项数建立新的函数：

那么原来的 用新函数表示为：

利用偶数次单位根的性质 ，和 和 是偶函数，我们知道在复平面上 和 的 的 对应的值相同。得到：

和：

因此我们求出了 和 后，就可以同时求出 和 。于是对 和 分别递归 DFT 即可。

考虑到分治 DFT 能处理的多项式长度只能是 ，否则在分治的时候左右不一样长，右边就取不到系数了。所以要在第一次 DFT 之前就把序列向上补成长度为 （高次系数补 ）、最高项次数为 的多项式。

在代入值的时候，因为要代入 个不同值，所以我们代入 一共 个不同值。

代码实现方面，STL 提供了复数的模板，当然也可以手动实现。两者区别在于，使用 STL 的 complex 可以调用 exp 函数求出 。但事实上使用欧拉公式得到的虚数来求 也是等价的。

以上就是 FFT 算法中 DFT 的介绍，它将一个多项式从系数表示法变成了点值表示法。

值的注意的是，因为是单位复根，所以说我们需要令 项式的高位补为零，使得 。

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#include <cmath>
#include <complex>

typedef std::complex<double> Comp;  // STL complex

const Comp I(0, 1);  // i
const int MAX_N = 1 << 20;

Comp tmp[MAX_N];

// rev=1,DFT; rev=-1,IDFT
void DFT(Comp* f, int n, int rev) {
  if (n == 1) return;
  for (int i = 0; i < n; ++i) tmp[i] = f[i];
  // 偶数放左边，奇数放右边
  for (int i = 0; i < n; ++i) {
    if (i & 1)
      f[n / 2 + i / 2] = tmp[i];
    else
      f[i / 2] = tmp[i];
  }
  Comp *g = f, *h = f + n / 2;
  // 递归 DFT
  DFT(g, n / 2, rev), DFT(h, n / 2, rev);
  // cur 是当前单位复根，对于 k = 0 而言，它对应的单位复根 omega^0_n = 1。
  // step 是两个单位复根的差，即满足 omega^k_n = step*omega^{k-1}*n，
  // 定义等价于 exp(I*(2*M_PI/n*rev))
  Comp cur(1, 0), step(cos(2 * M_PI / n), sin(2 * M_PI * rev / n));
  for (int k = 0; k < n / 2;
       ++k) {  // F(omega^k_n) = G(omega^k*{n/2}) + omega^k*n\*H(omega^k*{n/2})
    tmp[k] = g[k] + cur * h[k];
    // F(omega^{k+n/2}*n) = G(omega^k*{n/2}) - omega^k_n*H(omega^k\_{n/2})
    tmp[k + n / 2] = g[k] - cur * h[k];
    cur *= step;
  }
  for (int i = 0; i < n; ++i) f[i] = tmp[i];
}

时间复杂度 。

倍增法实现

这个算法还可以从「分治」的角度继续优化。对于基 - 2 FFT，我们每一次都会把整个多项式的奇数次项和偶数次项系数分开，一直分到只剩下一个系数。但是，这个递归的过程需要更多的内存。因此，我们可以先「模仿递归」把这些系数在原数组中「拆分」，然后再「倍增」地去合并这些算出来的值。

对于「拆分」，可以使用位逆序置换实现。

对于「合并」，使用蝶形运算优化可以做到只用 的额外空间来完成。

位逆序置换

以 项多项式为例，模拟拆分的过程：

• 初始序列为
• 一次二分之后
• 两次二分之后
• 三次二分之后

规律：其实就是原来的那个序列，每个数用二进制表示，然后把二进制翻转对称一下，就是最终那个位置的下标。比如 是 001，翻转是 100，也就是 4，而且最后那个位置确实是 4。我们称这个变换为位逆序置换（bit-reversal permutation），证明留给读者自证。

根据它的定义，我们可以在 的时间内求出每个数变换后的结果：

位逆序置换实现（）

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/* * 进行 FFT 和 IFFT 前的反置变换 * 位置 i 和 i 的二进制反转后的位置互换 * len 必须为 2 的幂 */ void change(Complex y[], int len) { // 一开始 i 是 0...01，而 j 是 10...0，在二进制下相反对称。 // 之后 i 逐渐加一，而 j 依然维持着和 i 相反对称，一直到 i = 1...11。 for (int i = 1, j = len / 2, k; i < len - 1; i++) { // 交换互为小标反转的元素，i < j 保证交换一次 if (i < j) swap(y[i], y[j]); // i 做正常的 + 1，j 做反转类型的 + 1，始终保持 i 和 j 是反转的。 // 这里 k 代表了 0 出现的最高位。j 先减去高位的全为 1 的数字，知道遇到了 // 0，之后再加上即可。 k = len / 2; while (j >= k) { j = j - k; k = k / 2; } if (j < k) j += k; } }

实际上，位逆序置换可以 从小到大递推实现，设 ，其中 表示二进制数的长度，设 表示长度为 的二进制数 翻转后的数（高位补 ）。我们要求的是 。

首先 。

我们从小到大求 。因此在求 时， 的值是已知的。因此我们把 右移一位（除以 ），然后翻转，再右移一位，就得到了 除了（二进制）个位 之外其它位的翻转结果。

考虑个位的翻转结果：如果个位是 ，翻转之后最高位就是 。如果个位是 ，则翻转后最高位是 ，因此还要加上 。综上

举个例子：设 ，。为了翻转 ：

1. 考虑 ，我们知道 ，再右移一位就得到了 。
2. 考虑个位，如果是 ，它就要翻转到数的最高位，即翻转数加上 ，如果是 则不用更改。

位逆序置换实现（）

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

// 同样需要保证 len 是 2 的幂 // 记 rev[i] 为 i 翻转后的值 void change(Complex y[], int len) { for (int i = 0; i < len; ++i) { rev[i] = rev[i >> 1] >> 1; if (i & 1) { // 如果最后一位是 1，则翻转成 len/2 rev[i] |= len >> 1; } } for (int i = 0; i < len; ++i) { if (i < rev[i]) { // 保证每对数只翻转一次 swap(y[i], y[rev[i]]); } } return; }

蝶形运算优化

已知 和 后，需要使用下面两个式子求出 和 ：

使用位逆序置换后，对于给定的 ：

• 的值存储在数组下标为 的位置， 的值存储在数组下标为 的位置。
• 的值将存储在数组下标为 的位置， 的值将存储在数组下标为 的位置。

因此可以直接在数组下标为 和 的位置进行覆写，而不用开额外的数组保存值。此方法即称为 蝶形运算，或更准确的，基 - 2 蝶形运算。

再详细说明一下如何借助蝶形运算完成所有段长度为 的合并操作：

1. 令段长度为 ；
2. 同时枚举序列 的左端点 和序列 的左端点 ；
3. 合并两个段时，枚举 ，此时 存储在数组下标为 的位置， 存储在数组下标为 的位置；
4. 使用蝶形运算求出 和 ，然后直接在原位置覆写。

快速傅里叶逆变换

傅里叶逆变换可以用傅里叶变换表示。对此我们有两种理解方式。

线性代数角度

IDFT（傅里叶反变换）的作用，是把目标多项式的点值形式转换成系数形式。而 DFT 本身是个线性变换，可以理解为将目标多项式当作向量，左乘一个矩阵得到变换后的向量，以模拟把单位复根代入多项式的过程：

现在我们已经得到最左边的结果了，中间的 值在目标多项式的点值表示中也是一一对应的，所以，根据矩阵的基础知识，我们只要在式子两边左乘中间那个大矩阵的逆矩阵就行了。

由于这个矩阵的元素非常特殊，它的逆矩阵也有特殊的性质，就是每一项 取倒数，再 除以变换的长度 ，就能得到它的逆矩阵。

注意：傅里叶变换的长度，并不是多项式的长度，变换的长度应比乘积多项式的长度长。待相乘的多项式不够长，需要在高次项处补 。

为了使计算的结果为原来的倒数，根据欧拉公式，可以得到

因此我们可以尝试着把单位根 取成 ，这样我们的计算结果就会变成原来的倒数，之后唯一多的操作就只有再 除以它的长度 ，而其它的操作过程与 DFT 是完全相同的。我们可以定义一个函数，在里面加一个参数 或者是 ，然后把它乘到 上。传入 就是 DFT，传入 就是 IDFT。

单位复根周期性

利用单位复根的周期性同样可以理解 IDFT 与 DFT 之间的关系。

考虑原本的多项式是 。而 IDFT 就是把你的点值表示还原为系数表示。

考虑 构造法。我们已知 ，求 。构造多项式如下

相当于把 当做多项式 的系数表示法。

这时我们有两种推导方式，这对应了两种实现方法。

方法一

设 ，则多项式 在 处的点值表示法为 。

对 的定义式做一下变换，可以将 表示为

记 。

当 时，。

当 时，我们错位相减