説明

高速フーリエ変換による任意 mod 畳み込みを行う。

計算量

  • $O((n + m) \log (n + m))$

実装例

依存ライブラリ Mod-Int Fast-Fourier-Transform

テンプレート引数としてMod-Intが渡されることを想定している。

  • multiply($a$, $b$):= 配列 $a$ と配列 $b$ を畳み込みした結果を返す。

以下は mod $10^9+7$ で verified。ふつうはこっち。

template< typename T >
struct ArbitraryModConvolution {
  using real = FastFourierTransform::real;
  using C = FastFourierTransform::C;

  ArbitraryModConvolution() = default;

  vector< T > multiply(const vector< T > &a, const vector< T > &b, int need = -1) {
    if(need == -1) need = a.size() + b.size() - 1;
    int nbase = 0;
    while((1 << nbase) < need) nbase++;
    FastFourierTransform::ensure_base(nbase);
    int sz = 1 << nbase;
    vector< C > fa(sz);
    for(int i = 0; i < a.size(); i++) {
      fa[i] = C(a[i].x & ((1 << 15) - 1), a[i].x >> 15);
    }
    fft(fa, sz);
    vector< C > fb(sz);
    if(a == b) {
      fb = fa;
    } else {
      for(int i = 0; i < b.size(); i++) {
        fb[i] = C(b[i].x & ((1 << 15) - 1), b[i].x >> 15);
      }
      fft(fb, sz);
    }
    real ratio = 0.25 / sz;
    C r2(0, -1), r3(ratio, 0), r4(0, -ratio), r5(0, 1);
    for(int i = 0; i <= (sz >> 1); i++) {
      int j = (sz - i) & (sz - 1);
      C a1 = (fa[i] + fa[j].conj());
      C a2 = (fa[i] - fa[j].conj()) * r2;
      C b1 = (fb[i] + fb[j].conj()) * r3;
      C b2 = (fb[i] - fb[j].conj()) * r4;
      if(i != j) {
        C c1 = (fa[j] + fa[i].conj());
        C c2 = (fa[j] - fa[i].conj()) * r2;
        C d1 = (fb[j] + fb[i].conj()) * r3;
        C d2 = (fb[j] - fb[i].conj()) * r4;
        fa[i] = c1 * d1 + c2 * d2 * r5;
        fb[i] = c1 * d2 + c2 * d1;
      }
      fa[j] = a1 * b1 + a2 * b2 * r5;
      fb[j] = a1 * b2 + a2 * b1;
    }
    fft(fa, sz);
    fft(fb, sz);
    vector< T > ret(need);
    for(int i = 0; i < need; i++) {
      int64_t aa = llround(fa[i].x);
      int64_t bb = llround(fb[i].x);
      int64_t cc = llround(fa[i].y);
      aa = T(aa).x, bb = T(bb).x, cc = T(cc).x;
      ret[i] = aa + (bb << 15) + (cc << 30);
    }
    return ret;
  }
};

以下は $10^{11}$ 以下の素数 mod で verified。FFT の精度を long double にすること。

template< typename T >
struct ArbitraryModConvolutionLong {
  using real = FastFourierTransform::real;
  using C = FastFourierTransform::C;
 
  ArbitraryModConvolutionLong() = default;
 
  vector< T > multiply(const vector< T > &a, const vector< T > &b, int need = -1) {
    if(need == -1) need = a.size() + b.size() - 1;
    int nbase = 0;
    while((1 << nbase) < need) nbase++;
    FastFourierTransform::ensure_base(nbase);
    int sz = 1 << nbase;
    vector< C > fa(sz);
    for(int i = 0; i < a.size(); i++) {
      fa[i] = C(a[i].x & ((1 << 19) - 1), a[i].x >> 19);
    }
    fft(fa, sz);
    vector< C > fb(sz);
    if(a == b) {
      fb = fa;
    } else {
      for(int i = 0; i < b.size(); i++) {
        fb[i] = C(b[i].x & ((1 << 19) - 1), b[i].x >> 19);
      }
      fft(fb, sz);
    }
    real ratio = 0.25 / sz;
    C r2(0, -1), r3(ratio, 0), r4(0, -ratio), r5(0, 1);
    for(int i = 0; i <= (sz >> 1); i++) {
      int j = (sz - i) & (sz - 1);
      C a1 = (fa[i] + fa[j].conj());
      C a2 = (fa[i] - fa[j].conj()) * r2;
      C b1 = (fb[i] + fb[j].conj()) * r3;
      C b2 = (fb[i] - fb[j].conj()) * r4;
      if(i != j) {
        C c1 = (fa[j] + fa[i].conj());
        C c2 = (fa[j] - fa[i].conj()) * r2;
        C d1 = (fb[j] + fb[i].conj()) * r3;
        C d2 = (fb[j] - fb[i].conj()) * r4;
        fa[i] = c1 * d1 + c2 * d2 * r5;
        fb[i] = c1 * d2 + c2 * d1;
      }
      fa[j] = a1 * b1 + a2 * b2 * r5;
      fb[j] = a1 * b2 + a2 * b1;
    }
    fft(fa, sz);
    fft(fb, sz);
    vector< T > ret(need);
    auto mul1 = T(2).pow(19);
    auto mul2 = T(2).pow(38);
    for(int i = 0; i < need; i++) {
      int64_t aa = llround(fa[i].x);
      int64_t bb = llround(fb[i].x);
      int64_t cc = llround(fa[i].y);
      aa = T(aa).x, bb = T(bb).x, cc = T(cc).x;
      ret[i] = (mul1 * bb) + (mul2 * cc) + aa;
    }
    return ret;
  }
};

検証

AtCoder ATC_001_C 高速フーリエ変換

int main() {
  int N;
  cin >> N;
  vector< modint > A(N + 1), B(N + 1);
  for(int i = 1; i <= N; i++) cin >> A[i] >> B[i];
  ArbitraryModConvolution< modint > fft;
  auto C = fft.multiply(A, B);
  for(int i = 1; i <= 2 * N; i++) cout << C[i] << "\n";
}