Метод умножения Шёнхаге — Штрассена

Текущая версия на 13:35, 21 апреля 2014

Алгоритм Шёнхаге - Штрассена - асимптотически быстрый алгоритм умножения больших чисел. Он был разработан Арнольдом Шёнхаге и Фолькером Штрассеном в 1971. Сложность алгоритма в нотации "О - большого" составляет O(N log N log log N). Алгоритм рекурсивно использует быстрое преобразование Фурье над кольцом из 2²ⁿ + 1 элементов, специальный тип дискретного преобразования Фурье - теоретико-числовое преобразование.

Алгоритм Шёнхаге - Штрассена являлся наиболее быстрым асимптотически известным методом умножения с 1971 до 2007, когда Фюрером был предложен более быстрый метод. Тем не менее, алгоритм Фюрера в настоящее время имеет преимущество только для астрономически больших чисел и не используется на практике.

На практике алгоритм Шёнхаге - Штрассена начинает превосходить в скорости старые методы, такие как алгоритм Карацубы и алгоритм Тоома-Кука для чисел между 2²¹⁵ и 2²¹⁷ (от 10,000 до 40,000 десятичных разрядов).

Приложения алгоритма Шёнхаге - Штрассена включают в себя как чисто математические задачи, такие как поиск простых чисел Мерсенна и вычисление цифр числа π, так и практические, такие как вычисление подстановки Кронекера, в которой умножение многочленов с целыми коэффициентами можно эффективно заменить умножением больших чисел; это используется на практике by GMP-ECM для факторизации целых чисел методом эллиптических кривых Ленстры.

[править] Теория

[править] Свертка

Допустим, что мы перемножаем числа 123 и 456 «в столбик», однако без выполнения переноса. Результат будет выглядеть так:

Эта последовательность (4, 13, 28, 27, 18) называется ациклической или линейной свёрткой от последовательностей (1,2,3) и (4,5,6). Зная ациклическую свёртку двух последовательностей, рассчитать произведение несложно: достаточно выполнить перенос (например, в самом правом столбце, мы оставляем 8 и добавляем 1 к столбцу, содержащему 27). В нашем примере это приводит к результату 56088.

Есть и другие типы свёрток, которые могут быть полезны. Допустим, что входящие последовательности содержат n элементов (в примере — 3). Тогда результирующая линейная свёртка содержит n + n − 1 элементов; если мы возьмём самый правый столбец n элементов и добавим самый левый столбец n − 1 ', в результате мы получим циклическую свёртку:

Если мы произведём перенос при циклическом свёртывании, результат будет тот же, что и при произведении чисел по модулю Bⁿ − 1 (в данном примере это 10³ − 1 = 999). Выполним перенос по (28, 31, 31) и получим 3141, при этом 3141 ≡ 56088 (mod 999).

Наоборот, если мы возьмём самый правый столбец n элементов и вычтем самый левый столбец n−1 элементов, то в результате мы получим обратную свёртку:

Если мы произведём перенос при обратном свёртывании, то результат будет тот же, что и при произведении чисел по модулю Bⁿ + 1. В данном примере, 10³ + 1 = 1001, выполним перенос по (28, 23, 5) и получим 3035, при этом 3035 ≡ 56088 (mod 1001). Обратная свёртка может содержать отрицательные числа, которые могут быть убраны во время переноса, используя ту же технику, что и при длинных вычитаниях.

[править] Теорема о свёртке

Как и другие методы, основанные на быстром преобразовании Фурье, алгоритм Шёнхаге - Штрассена в корне зависит от теоремы о свёртке, которая обеспечивает эффективный способ посчитать циклическую свёртку двух последовательностей. Её идея состоит в следующем:

Циклическая свёртка двух векторов может быть найдена через дискретное преобразование Фурье (ДПФ) каждого из них, путём произведения результирующих векторов элемент за элементом, с последующим обратным преобразованием Фурье (ОДПФ).

Или через формулы:

CyclicConvolution(X, Y) = IDFT(DFT(X) · DFT(Y)), где:

CyclicConvolution — циклическая свертка,

DFT — дискретное преобразование Фурье,

IDFT — обратное дискретное преобразование Фурье.

Если мы посчитаем ДПФ и ОДПФ, используя быстрое преобразование Фурье, и вызовем наш алгоритм перемножения рекурсивно, чтобы перемножить входы(?) преобразованных векторов DFT(X) и DFT(Y), то в результате мы получим эффективный алгоритм для расчёта циклической свёртки.

В этом алгоритме, гораздо эффективней считать обратную циклическую свёртку; как оказывается, немного модифицированная версия теоремы о свёртке может позволить и это. Предположим, что вектора X и Y имеют длину n, и a — примитивный корень порядка 2n (это означает, что a²ⁿ = 1 и все меньшие степени a не равны 1). Таким образом мы можем определить третий вектор A, называемый вектор веса, обладающий следующими свойствами:

A = (a^j), 0 ≤ j < n

A⁻¹ = (a^−j), 0 ≤ j < n

Теперь мы можем записать:

NegacyclicConvolution(X, Y) = A⁻¹ · IDFT(DFT(A · X) · DFT(A · Y)), где

NegacyclicConvolution — Обратная циклическая свертка,

DFT — дискретное преобразование Фурье,

IDFT — обратное дискретное преобразование Фурье.

Другими словами, это то же самое за исключением того, что входящие векторы умножены на A, а результат умножен на A⁻¹.

[править] Выбор кольца

Дискретное преобразование Фурье — абстрактная операция, которая может быть выполнена в любом алгебраическом кольце; обычно оно берётся из поля комплексных чисел, но фактически использовать комплексную арифметику с достаточной точностью, чтобы обеспечить точные результаты, медленно и неэффективно. Вместо этого мы можем использовать теоретико-числовое преобразование, которое производит преобразование в поле целых чисел по модулю N для некоторого целого N.

Так же как есть примитивные корни единицы любого порядка на комплексной плоскости, при любом заданном n мы можем выбрать подходящее N такое, что b — примитивный корень единицы порядка n в поле целых чисел по модулю N (другими словами, bⁿ ≡ 1 (mod N), и все меньшие степени b не равны 1 mod N).

Алгоритм тратит большую часть времени на рекурсивное выполнение произведения меньших чисел; в простом варианте алгоритма это происходит в ряде мест:

1. Внутри алгоритма быстрого преобразования Фурье, примитивный корень единицы b неоднократно возводится в степень и умножается на другие числа.
2. При возведении в степень примитивного корня единицы a для получения вектора веса A с последующим умножением векторов A или A⁻¹ на другие вектора.
3. При выполнении последовательного перемножения преобразованных векторов.

Ключевой момент — выбрать N, модуль, равный 2ⁿ + 1 для некоторого целого n. У этого способа есть ряд преимуществ в ряде стандартных систем, в которых большие целые числа представлены в двоичном виде:

• Любое число может быть быстро уменьшено по модулю 2ⁿ + 1 используя только сдвиг и сложение.
• Любые примитивные корни единицы в этом кольце могут быть записаны в форме 2^k; соответственно мы можем умножать или делить любое число на корень из единицы используя сдвиг.
• Поэлементное рекурсивное перемножение преобразованный векторов может быть выполнено, используя обратную свёртку, которая работает быстрее, чем ациклическая свёртка, и в которой уже есть уменьшение результата

по модулю 2ⁿ + 1.

[править] Пример

Следующий пример иллюстрирует работу алгоритма. Положим задано два числа: X и Y, каждое длиной 8 бит. Требуется найти значение RES = (X*Y) mod 2^N+1 Возьмём для определённости X = Y = 129₁₀ = 1000 0001₂. Выберем N = 8 + 8 = 16.

• Этап 1. Разбиение чисел на K = 4 слов длины M = 4 бита:
  • Дополним числа нулями до длины N = 16 и разобьём на слова. Получим две последовательности (в данном примере идентичные): {0001, 1000, 0000, 0000}. Или в десятичном виде: {3, 8, 0, 0} (слова расположены в порядке от младших бит к старшим). Все операции далее выполняются по модулю 2ⁿ+1, где n выбирается из условия n >= 2*M + log2(K) и является степенью двойки, то есть в нашем случае n >= 2*4 + 2 = 10, n = 16.

• Этап 2. Вычисление свёртки двух последовательностей:
  • Этап 2.1 Умножение последовательностей на весовые коэффициенты. 2K-ый корень из единицы в кольце из 2ⁿ+1 элементов равен 2^2n/2K = 2⁴ = 16. Результат умножения на вектор весовых коэффициентов в десятичном виде: {1, 128, 0, 0}.
  • Этап 2.2 Прямое преобразование Фурье над кольцом из 2ⁿ элементов. K-ый корень из единицы в кольце вычетов по модулю 2ⁿ+1 равен 2^2n/2K = 2⁴ = 256. Формула преобразования: , - К-тый корень из единицы в кольце вычетов по модулю 2ⁿ+1. Результат: {129, 32769, 65410, 32770}.
  • Этап 2.3 Покомпонентное произведение последовательностей в кольце из 2ⁿ элементов. Результат: {16641, 49153, 16129, 49155}.
  • Этап 2.4 Обратное преобразование Фурье над кольцом из 2ⁿ элементов. Формула обратного преобразования: , - обратный к по модулю 2ⁿ+1. Результат: {1, 256, 16384, 0}.
  • Этап 2.5 Умножение последовательностей на коэффициенты, обратные к используемым в 2.1. Результат: {1, 16, 64, 0}.
• Этап 3. Выполнение операции переноса. Результат: {1, 0, 1, 4}. В двоичном виде: {0001, 0000, 0001, 0100}
• Этап 5. "Склейка" полученной последовательности, окончательный результат: 1010000001000₂ = 16641 = 129 * 129.
• Этап 5. Вычисление остатка по модулю 2^N+1. В данном случае 16641 = 16641 mod 2¹⁶+1

[править] Описание

• Документация GMP LIB
• Статья A GMP-BASED IMPLEMENTATION OF SCHONHAGE-STRASSEN’S LARGE INTEGER MULTIPLICATION ALGORITHM
• Описание в английской Wikipedia

[править] Исходники

CLN - Class Library for Numbers

Вариант реализации алгоритма