【分治】大整数乘法Python实现

问题描述

• 设$X$和$Y$都是$n$位二进制整数，计算它们的乘积$XY$

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基础算法

• 将$n$位二进制整数$X$和$Y$都分为$2$段，每段的长为$n/2$位（假设$n$是$2$的幂）
  • $X=A\times 2^{n/2}+B$
  • $Y=C\times 2^{n/2}+D$
  • $XY=(A\times 2^{n/2}+B)(C\times 2^{n/2}+D)=AC\times 2^n+(AD+BC)\times 2^{n/2}+BD$

时间复杂性

• 如果按此式计算$XY$，必须进行$4$次$n/2$位整数的乘法，$3$次不超过$2n$位的整数加法，以及$2$次移位，所有这些加法和移位共用$O(n)$步运算

$$T(n)=\{\begin{array}{ll}O(1)& n=1\\ 4T(n/2)+O(n)& n>1\end{array}$$

$$T(n)=O(n^2)$$

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优化算法

• 要想改进算法的计算复杂性，必须减少乘法次数，把$XY$写成另一种形式
  • $XY=AC\times 2^n+((A-B)(D-C)+AC+BD)\times 2^{n/2}+BD$

时间复杂性

• 需做$3$次$n/2$位整数的乘法，$6$次加减法和$2$次移位

$$T(n)=\{\begin{array}{ll}O(1)& n=1\\ 3T(n/2)+O(n)& n>1\end{array}$$

$$T(n)=O(n^{\log 3})=O(n^{1.59})$$

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Python实现

def karatsuba_multiply(x, y):
    # 如果乘数之一为 0, 则直接返回 0
    if x == 0 or y == 0:
        return 0

    # 将乘数转换为字符串, 并获取它们的位数
    x_str = str(x)
    y_str = str(y)

    n = max(len(x_str), len(y_str))

    # 达到基本情况时, 使用传统的乘法
    if n == 1:
        return x * y

    # 将乘数补齐到相同的位数
    x_str = x_str.zfill(n)
    y_str = y_str.zfill(n)

    # 将乘数划分为两部分
    m = n // 2

    high1, low1 = int(x_str[:m]), int(x_str[m:])
    high2, low2 = int(y_str[:m]), int(y_str[m:])

    # 递归地计算三个乘法
    z0 = karatsuba_multiply(low1, low2)
    z1 = karatsuba_multiply((low1 + high1), (low2 + high2))
    z2 = karatsuba_multiply(high1, high2)

    # 计算结果
    res = (z2 * 10 ** (2 * m)) + ((z1 - z2 - z0) * 10 ** m) + z0

    return res


x = 123456789012345678901234567890
y = 987654321098765432109876543210

res = karatsuba_multiply(x, y)

print(f'{x} * {y} = {res}')

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