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:

ab为两个序列,那么:

(a,b)表示将ab简单地拼接在一起组成的序列。

f是一个n维集合幂级数(n>0),那么:

f表示取所有下标的最高位为0的项,并忽略最高位而组成的一个n1维集合幂级数(其实就是f的前半段)。

类似的,f+表示取所有下标的最高位为1的项,并忽略最高位而组成的一个n1维集合幂级数。(其实就是f的后半段)。

代表点积,其形式为:

(fg)i=figi

代表卷积,其形式为:

(fg)i=jk=ifjgk

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fg拆分成(f,f+)(g,g+),那么:

fg=(f,f+)(g,g+)

显然我们可以选择一种位运算,根据这种位运算将fgfg+f+gf+g+的贡献计算给(fg)(fg)+中的某一个。

对于集合并卷积,计算贡献的式子就是:

fg=(fg,fg++f+g+f+g+)

显然四个新的卷积可以直接递归计算,那么递归式便为:

T(n)=4T(n1)+O(2n)

解得T(n)=O(4n),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:

fg++f+g+f+g+=(fg++f+g+f+g+)+fgfg

显然等式右边的前四项是可以合并的,也就是:

fg++f+g+f+g+=(f+f+)(g+g+)fg

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:

T(n)=2T(n1)+O(2n)

解得T(n)=O(2nn),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f,我们只需要保留ff+f+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f=(f,f+f+)

研究一下(fg)的性质,得到:

(fg)=(fg,(f+f+)(g+g+))

这个式子也等价于:

(fg)=fg(fg)+=f+g+

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n维都做这样的变换的话,计算就分开成了2n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:

FWT(f)=(FWT(f),FWT(f)+FWT(f+))

剩下的一个问题就是做过快速沃尔什变换的fg的点积是fg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:

f=(f,f+f+)

代入证明即可。类似的,我们将这个变换应用于n维,得到:

FWT1(f)=(FWT1(f),FWT1(f)+FWT1(f+))

集合交卷积显然是类似的,为了完整我们也来推一遍:

fg=(fg+fg++f+g,f+g+)

转化为两次乘法:

fg=((f+f+)(g+g+)f+g+,f+g+)

类似的得到变换f=(f+f+,f+),复合得:

FWT(f)=(FWT(f)+FWT(f+),FWT(f+))

类似的得到其逆变换:

FWT1(f)=(FWT1(f)FWT1(f+),FWT1(f+))

下面介绍集合对称差卷积。根据对称差的定义,有:

fg=(fg+f+g+,fg++f+g)

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:

fg=((f+f+)(g+g+)+(ff+)(gg+)2,(f+f+)(g+g+)(ff+)(gg+)2)

因此对于集合幂级数f我们只需要知道f+f+ff+,构造变换f=(f+f+,ff+),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:

FWT(f)=(FWT(f)+FWT(f+),FWT(f)FWT(f+))

同时得出其逆变换:

FWT1(f)=(FWT1(f)+FWT1(f+)2,FWT1(f)FWT1(f+)2)

同时可以发现集合对称差卷积要求值域有2的逆元。

2019.1.1upd: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max,那么集合并卷积就是对每一维做max卷积。可以推得max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2意义下的加法,于是只要对每一维做长度为2的循环卷积即可。