0
EN
1
المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

قم بتسجيل الدخول اولاً لكي يتسنى لك الاعجاب والتعليق.

Karatsuba Multiplication

المؤلف:  Bernstein, D. J.

المصدر:  "Fast Multiplication and Its Applications." To appear in Alg. Number Th. http://cr.yp.to/lineartime/multapps-20041007.pdf.

الجزء والصفحة:  ...

14-11-2019

2814

+

-

20

Karatsuba Multiplication

 

It is possible to perform multiplication of large numbers in (many) fewer operations than the usual brute-force technique of "long multiplication." As discovered by Karatsuba (Karatsuba and Ofman 1962), multiplication of two n-digit numbers can be done with a bit complexity of less than n^2 using identities of the form

 (a+b·10^n)(c+d·10^n)=ac+[(a+b)(c+d)-ac-bd]10^n+bd·10^(2n).

(1)

Proceeding recursively then gives bit complexity O(n^(lg3)), where lg3=1.58...<2 (Borwein et al. 1989). The best known bound is O(nlgnlglgn) steps for n>>1 (Schönhage and Strassen 1971, Knuth 1998). However, this algorithm is difficult to implement, but a procedure based on the fast Fourier transform is straightforward to implement and gives bit complexity O((lgn)^(2+epsilon)n) (Brigham 1974, Borodin and Munro 1975, Borwein et al. 1989, Knuth 1998).

As a concrete example, consider multiplication of two numbers each just two "digits" long in base w,

N_1 = a_0+a_1w

(2)

N_2 = b_0+b_1w,

(3)

then their product is

P = N_1N_2

(4)

= a_0b_0+(a_0b_1+a_1b_0)w+a_1b_1w^2

(5)

= p_0+p_1w+p_2w^2.

(6)

Instead of evaluating products of individual digits, now write

q_0 = a_0b_0

(7)

q_1 = (a_0+a_1)(b_0+b_1)

(8)

q_2 = a_1b_1.

(9)

The key term is q_1, which can be expanded, regrouped, and written in terms of the p_j as

 q_1=p_1+p_0+p_2.

(10)

However, since p_0=q_0, and p_2=q_2, it immediately follows that

p_0 = q_0

(11)

p_1 = q_1-q_0-q_2

(12)

p_2 = q_2,

(13)

so the three "digits" of p have been evaluated using three multiplications rather than four. The technique can be generalized to multidigit numbers, with the trade-off being that more additions and subtractions are required.

Now consider four-"digit" numbers

 N_1=a_0+a_1w+a_2w^2+a_3w^3,

(14)

which can be written as a two-"digit" number represented in the base w^2,

 N_1=(a_0+a_1w)+(a_2+a_3w)w^2.

(15)

The "digits" in the new base are now

= a_0+a_1w

(16)

= a_2+a_3w,

(17)

and the Karatsuba algorithm can be applied to N_1 and N_2 in this form. Therefore, the Karatsuba algorithm is not restricted to multiplying two-digit numbers, but more generally expresses the multiplication of two numbers in terms of multiplications of numbers of half the size. The asymptotic speed the algorithm obtains by recursive application to the smaller required subproducts is O(n^(lg3)) (Knuth 1998).

When this technique is recursively applied to multidigit numbers, a point is reached in the recursion when the overhead of additions and subtractions makes it more efficient to use the usual O(n^2) multiplication algorithm to evaluate the partial products. The most efficient overall method therefore relies on a combination of Karatsuba and conventional multiplication.


REFERENCES:

Bernstein, D. J. "Fast Multiplication and Its Applications." To appear in Alg. Number Th. http://cr.yp.to/lineartime/multapps-20041007.pdf.

Borodin, A. and Munro, I. The Computational Complexity of Algebraic and Numeric Problems. New York: American Elsevier, 1975.

Borwein, J. M.; Borwein, P. B.; and Bailey, D. H. "Ramanujan, Modular Equations, and Approximations to Pi, or How to Compute One Billion Digits of Pi." Amer. Math. Monthly 96, 201-219, 1989.

Brigham, E. O. The Fast Fourier Transform. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1974.

Brigham, E. O. Fast Fourier Transform and Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1988.

Cook, S. A. On the Minimum Computation Time of Functions. Ph.D. Thesis. Cambridge, MA: Harvard University, pp. 51-77, 1966.

Hollerbach, U. "Fast Multiplication & Division of Very Large Numbers." sci.math.research posting, Jan. 23, 1996.

Karatsuba, A. and Ofman, Yu. "Multiplication of Many-Digital Numbers by Automatic Computers." Doklady Akad. Nauk SSSR 145, 293-294, 1962. Translation in Physics-Doklady 7, 595-596, 1963.

Knuth, D. E. The Art of Computer Programming, Vol. 2: Seminumerical Algorithms, 3rd ed. Reading, MA: Addison-Wesley, pp. 278-286, 1998.

Schönhage, A. and Strassen, V. "Schnelle Multiplikation Grosser Zahlen." Computing 7, 281-292, 1971.

Toom, A. L. "The Complexity of a Scheme of Functional Elements Simulating the Multiplication of Integers." Dokl. Akad. Nauk SSSR 150, 496-498, 1963. English translation in Soviet Mathematics 3, 714-716, 1963.

Zuras, D. "More on Squaring and Multiplying Large Integers." IEEE Trans. Comput. 43, 899-908, 1994.

اخر الاخبار

اشترك بقناتنا على التلجرام ليصلك كل ما هو جديد