算法学习-分治法-大整数乘法

 

基本问题

 

大整数乘法(C)请设计一个有效的算法,可以进行两个n位大整数的乘法运算。

XY都是n位的二进制整数,现在要计算它们的乘积XY。我们可以用小学所学的方法来设计一个计算乘积XY的算法,但是这样做计算步骤太多,显得效率较低。如果将每21位数的乘法或加法看作一步运算,那么这种方法要作O(n^2)步运算才能求出乘积XY

 

《算法学习-分治法-大整数乘法》

 

打问号处个人感觉有问题,不过乘法肯定是主要运算,移位操作一定小于 n(n-1)加法操作小于n(n-1) O( 3 n^2) = O( n^2).

 

下面我们用分治法来设计一个更有效的大整数乘积算法。
我们将n位的二进制整数XY各分为2段,每段的长为n/2位(为简单起见,假设n2的幂),如图6-3所示。

《算法学习-分治法-大整数乘法》

省略了作标记处的运算过程 , 关键是前一个的指数是 log4,后一个是 log3 = 1.59.

 

补充一些文字解释:

由此,X=A2^(n/2)+BY=C2^(n/2)+D。这样,XY的乘积为:

XY=(A2^(n/2)+B)(C2^(n/2)+D)=AC2^n+(AD+CB)2^(n/2)+BD 1

如果按式(1)计算XY,则我们必须进行4n/2位整数的乘法(ACADBCBD),以及3次不超过n位的整数加法(分别对应于式(1)中的加号),此外还要做2次移位(分别对应于式(1)中乘2n和乘2n/2)。所有这些加法和移位共用On)步运算。设Tn)是2n位整数相乘所需的运算总数,则由式(1),我们有:

T(n) = O(1) n=1

    4T(n/2)+O(n) n>1《算法学习-分治法-大整数乘法》《算法学习-分治法-大整数乘法》

 

由此可得T(n)=O(n2)。因此,用(1)式来计算XY的乘积并不比小学生的方法更有效。要想改进算法的计算复杂性,必须减少乘法次数。为此我们把XY写成另一种形式:

XY=AC2^n+(((A-B)(D-C)+AC+BD)2^(n/2)+BD 2

虽然,式(2)看起来比式(1)复杂些,但它仅需做3n/2位整数的乘法(ACBD和(A-B)(D-C)),6次加、减法和2次移位。由此可得:

T(n) = O(1) n=1

    3T(n/2)+O(n) n>1《算法学习-分治法-大整数乘法》《算法学习-分治法-大整数乘法》

T(n)=O(nlog3) =O(n1.59)

 

代码实现

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http://blog.csdn.net/wangyangkobe/article/details/6447195

http://blog.csdn.net/louistech/article/details/8890717

JAVA版 http://blog.csdn.net/nizhou1/article/details/12710741

 

 

拓展思考

 

1、如果将一个大整数分成3段或4段做乘法,计算复杂性会发生会么变化呢?是否优于分成2段做的乘法?这个问题请大家自己考虑。

分的段数越多, 效率越低. 极端情况, 直接按位计算,相当于分为N段, 就回到了这个文章开始提出的原始算法了. (这个似乎与前文矛盾了,但是个人觉得这种解释是有道理的。)

快速傅里叶变换

 

请自行查阅

问题的一种演变

《算法学习-分治法-大整数乘法》

    原文作者:大整数乘法问题
    原文地址: https://blog.csdn.net/wzwdcld/article/details/44570759
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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