从分治乘法到快速沃尔什变换及其反演
为了方便本文的叙述,先定义如下内容:
设,为两个序列,那么:
表示将和简单地拼接在一起组成的序列。
设是一个维集合幂级数(),那么:
表示取所有下标的最高位为的项,并忽略最高位而组成的一个维集合幂级数(其实就是的前半段)。
类似的,表示取所有下标的最高位为的项,并忽略最高位而组成的一个维集合幂级数。(其实就是的后半段)。
用代表点积,其形式为:
用代表卷积,其形式为:
其中下标运算会在上下文给出(或者是普遍情况,不做要求)。
我们先考虑如何用分治乘法解决常见的集合幂级数的卷积。
我们考虑将待卷积的集合幂级数和拆分成和,那么:
显然我们可以选择一种位运算,根据这种位运算将,,,的贡献计算给和中的某一个。
对于集合并卷积,计算贡献的式子就是:
显然四个新的卷积可以直接递归计算,那么递归式便为:
解得,直接做并没有什么用。我们来考虑减少递归的次数,我们发现:
显然等式右边的前四项是可以合并的,也就是:
后面一项之前已经计算过,可以重复利用,只要多算一项即可。因此递归式为:
解得,复杂度非常优秀。
现在我们来尝试从分治乘法推出其快速沃尔什变换的形式。
考虑之前推出的式子,我们对于集合幂级数,我们只需要保留和即可直接递归计算其集合并卷积。那么我们不妨先定义一个变换。
研究一下的性质,得到:
这个式子也等价于:
我们发现做了这个变换以后,集合幂级数的前半段和后半段就没有什么关系了,可以直接分开计算。那么我们不难发现如果我们对第二维也做这样的变换,我们可以分成四段进行计算。以此类推,如果对维都做这样的变换的话,计算就分开成了个独立的部分,可以直接用点积来计算。
因此得到集合并卷积的快速沃尔什变换:
剩下的一个问题就是做过快速沃尔什变换的和的点积是快速沃尔什变换后的形式,因此我们还需要考虑其逆变换。
对于一维的变换,不难发现:
代入证明即可。类似的,我们将这个变换应用于维,得到:
集合交卷积显然是类似的,为了完整我们也来推一遍:
转化为两次乘法:
类似的得到变换,复合得:
类似的得到其逆变换:
下面介绍集合对称差卷积。根据对称差的定义,有:
对于这个形式找只计算两次乘法的形式我觉得其实挺要脑力的,不过还是可以找出来的,即:
因此对于集合幂级数我们只需要知道和,构造变换,同样可以将卷积分为前后两部分,因此复合这个变换得到集合对称差卷积的快速沃尔什变换:
同时得出其逆变换:
同时可以发现集合对称差卷积要求值域有的逆元。
:这篇文章写了有段时间了,之后我似乎想到了一个更简洁的解释快速沃尔什变换的方法:将逻辑或看作取,那么集合并卷积就是对每一维做卷积。可以推得卷积的卷积变换就是前缀和,逆变换就是差分。于是只要利用卷积的复合,对每一维做前缀和以及变换完之后的差分即可。集合交卷积也是相似的。至于集合对称差卷积,由于逻辑异或可以看作是模意义下的加法,于是只要对每一维做长度为的循环卷积即可。