FFT (快速傅里叶变换)

2023-11-05

FFT


FFT

FFT的全称是 Fast Fourier Transform 即快速傅里叶变换

傅里叶变换是复变函数的重要内容,傅里叶变换分为离散和连续傅里叶变换
傅里叶变换实现从时域到频域的转换,是信号与系统重要的分析工具

连续傅里叶变换

![此处输入图片的描述][1]

离散傅里叶变换(DFT discrete Fourier transform)

将离散的序列值进行频域到时域的转换,就叫做离散傅里叶变换
如果有
x ( n ) = { x N ( n ) 0 &lt; = n &lt; = N − 1 0 n 为 其 余 值 x(n)=\left\{ \begin{aligned} x_N(n) &amp; \quad 0 &lt;= n&lt;= N-1 \\ 0 &amp; \quad n 为其余值 \end{aligned} \right. x(n)={xN(n)00<=n<=N1n
离散傅里叶变换DFT
X ( k ) = D F T [ x ( n ) ] = ∑ n = 0 n = N − 1 x ( n ) ∗ W N k n ( W N = e − j 2 π / N ) X(k) = DFT[x(n)] = \sum_{n = 0}^ {n = N-1} x(n)*W_N^{kn}\quad (W_N = e^{-j2\pi/N }) X(k)=DFT[x(n)]=n=0n=N1x(n)WNkn(WN=ej2π/N)
即是 $ X(k)= x_0 + x_1(W_Nk)1 + x_2(W_Nk)2+…+ x_{N-1}(W_Nk){N-1}$
离散傅里叶逆变换IDFT
x ( n ) = I D F T [ X ( k ) ] = 1 N ∑ n = 0 k = N − 1 X ( k ) ∗ W N − k n x(n) = IDFT[X(k)] = \frac{1}{N} \sum_{n = 0}^{k = N-1} X(k) *W_N^{-kn} x(n)=IDFT[X(k)]=N1n=0k=N1X(k)WNkn
DFT 矩阵形式

这里写图片描述

FFT

FFT 不是一种新的变换,只是DFT的快速实现的一种方法!!
FFT 要求 N = 2 k N = 2^k N=2k,所以不足2的幂次数的要补零
####已知

  1. W N 2 ∗ k = e − j 2 π N ∗ 2 k = e − j 2 π N / 2 ∗ k = W N / 2 k ( 1 ) W_N^{2*k} = e^{-\frac{j2\pi}{N}*2k} = e^{-\frac{j2\pi}{N/2}*k} = W_{N/2}^{k} \quad(1) WN2k=eNj2π2k=eN/2j2πk=WN/2k(1)
  2. W N k + N / 2 = e − j 2 π N ∗ ( k + N / 2 ) = − e − j 2 π N ∗ ( k ) ( 2 ) W_N^{k+N/2} = e^{-\frac{j2\pi}{N}*{(k+N/2)}} = -e^{-\frac{j2\pi}{N}*{(k)}}\quad(2) WNk+N/2=eNj2π(k+N/2)=eNj2π(k)(2)
FFT 具体方法

\quad X ( k ) = x 0 + x 1 ( W N k ) 1 + x 2 ( W N k ) 2 + . . . + x N − 1 ( W N k ) N − 1 X(k)= x_0 + x_1(W_N^k)^1 + x_2(W_N^k)^2+...+ x_{N-1}(W_N^k)^{N-1} X(k)=x0+x1(WNk)1+x2(WNk)2+...+xN1(WNk)N1
进行奇偶分离
X ( k ) = x 0 + x 2 ( W N k ) 2 + . . . x N − 2 ( W N k ) N − 2 + x 1 ( W N k ) 1 + x 3 ( W N k ) 3 + . . . + x N − 1 ( W N k ) N − 1 X(k)= x_0 + x_2(W_N^k)^2 +... x_{N-2}(W_N^k)^{N-2}+ x_1(W_N^k)^1+x_3(W_N^k)^3+...+ x_{N-1}(W_N^k)^{N-1} X(k)=x0+x2(WNk)2+...xN2(WNk)N2+x1(WNk)1+x3(WNk)3+...+xN1(WNk)N1

= x 0 + x 2 ( W N / 2 k ) 1 + . . . + x N − 2 ∗ ( W N / 2 k ) N / 2 − 1 \qquad = x_0+x_2(W_{N/2}^k)^1 +... + x_{N-2}*(W_{N/2}^{k})^{N/2-1} =x0+x2(WN/2k)1+...+xN2(WN/2k)N/21
+ W k ( x 1 + x 3 ∗ ( W N / 2 k ) + 1 x N − 1 ∗ ( W N / 2 k ) N / 2 − 1 ) \qquad+ W^k(x_1+x_3*({W_{N/2}^{k}})^{1} _ +x_{N-1}*(W_{N/2}^{k})^{N/2-1}) +Wk(x1+x3(WN/2k)+1xN1(WN/2k)N/21)
A 0 ( x ) = x 0 + x 2 ( x ) 1 + . . . + x N − 2 ∗ ( x ) N / 2 − 1 A_0(x) = x_0+x_2(x)^1 +... + x_{N-2}*(x)^{N/2-1} A0(x)=x0+x2(x)1+...+xN2(x)N/21
A 1 ( x ) = x 1 + x 3 ∗ ( x ) + 1 x N − 1 ∗ ( x ) N / 2 − 1 A_1(x) = x_1+x_3*({x})^{1} _ +x_{N-1}*({x})^{N/2-1} A1(x)=x1+x3(x)+1xN1(x)N/21
X ( k ) = A 0 ( W N / 2 k ) + W k A 1 ( W N / 2 k ) ( 3 ) X(k) = A_0(W_{N/2}^k) +W^kA_1(W_{N/2}^k)\quad(3) X(k)=A0(WN/2k)+WkA1(WN/2k)(3)

同理得 X ( k + N / 2 ) = A 0 ( W N / 2 k ) − W k A 1 ( W N / 2 k ) ( 4 ) X(k+N/2)=A_0(W_{N/2}^k) -W^kA_1(W_{N/2}^k)\quad(4) X(k+N/2)=A0(WN/2k)WkA1(WN/2k)(4)
于是现在从求 X ( 0 ) , X ( 1 ) , . . . , X ( N − 1 ) X(0),X(1),...,X(N-1) X(0),X(1),...,X(N1)
变成了求 A 0 ( 0 ) , A 0 ( 1 ) , . . . , A 0 ( N / 2 − 1 ) A_0(0),A_0(1),...,A_0(N/2-1) A0(0),A0(1),...,A0(N/21)
A 1 ( 0 ) , A 1 ( 1 ) , . . . , A 1 ( N / 2 − 1 ) A_1(0),A_1(1),...,A_1(N/2-1) A1(0),A1(1),...,A1(N/21)

这样利用分治的思想,复杂度是 n l o g ( n ) nlog(n) nlog(n)
递归实现比较麻烦,而且需要额外申请空间,就不再详细介绍了,所以一般采用bit反转来实现
递归分组的时候
x ( 0 ) x ( 1 ) x ( 2 ) x ( 3 ) x ( 4 ) x ( 5 ) x ( 6 ) x ( 7 ) ‾ \underline{x(0) \quad x(1) \quad x(2) \quad x(3) \quad x(4) \quad x(5) \quad x(6) \quad x(7)} x(0)x(1)x(2)x(3)x(4)x(5)x(6)x(7)
x ( 0 ) x ( 2 ) x ( 4 ) x ( 6 ) ‾ ∣ x ( 1 ) x ( 3 ) x ( 5 ) x ( 7 ) ‾ \underline{x(0) \quad x(2) \quad x(4) \quad x(6)} |\underline{\quad x(1) \quad x(3) \quad x(5) \quad x(7)} x(0)x(2)x(4)x(6)x(1)x(3)x(5)x(7)
x ( 0 ) x ( 4 ) ‾ ∣ x ( 2 ) x ( 6 ) ‾ ∣ x ( 1 ) x ( 5 ) ‾ ∣ x ( 3 ) x ( 7 ) ‾ \underline{x(0) \quad x(4)} | \underline{\quad x(2) \quad x(6)}| \underline{\quad x(1) \quad x(5)}| \quad \underline{x(3) \quad x(7)} x(0)x(4)x(2)x(6)x(1)x(5)x(3)x(7)

发现规律
这里写图片描述

FFT算法步骤
  1. bit反转
  2. 分治
  3. 合并

IDFT 的时候只需要把$W $换成 W − 1 W^{-1} W1 就ok了

下面是模板

模板
// 刘汝佳的板子 调用的时候直接 v1*v2 就行了, v1 和 v2 的类型是vector<double>
// 也可以自己修改 

#include <bits/stdc++.h>
#define mem(ar,num) memset(ar,num,sizeof(ar))
#define me(ar) memset(ar,0,sizeof(ar))
#define lowbit(x) (x&(-x))
using namespace std;
typedef long long LL;
typedef unsigned long long ULL;
const int    prime = 999983;
const int    INF = 0x7FFFFFFF;
const LL     INFF =0x7FFFFFFFFFFFFFFF;
//const double pi = acos(-1.0);
const double inf = 1e18;
const double eps = 1e-6;
const LL     mod = 1e9 + 7;
int dr[2][4] = {1,-1,0,0,0,0,-1,1};
// UVa12298 Super Poker II
// Rujia Liu

const long double PI = acos(0.0) * 2.0;

typedef complex<double> CD;

// Cooley-Tukey的FFT算法,迭代实现。inverse = false时计算逆FFT
inline void FFT(vector<CD> &a, bool inverse) {
  int n = a.size();
  // 原地快速bit reversal
  for(int i = 0, j = 0; i < n; i++) {
    if(j > i) swap(a[i], a[j]);
    int k = n;
    while(j & (k >>= 1)) j &= ~k;
    j |= k;
  }

  double pi = inverse ? -PI : PI;
  for(int step = 1; step < n; step <<= 1) {
    // 把每相邻两个“step点DFT”通过一系列蝴蝶操作合并为一个“2*step点DFT”
    double alpha = pi / step;
    // 为求高效,我们并不是依次执行各个完整的DFT合并,而是枚举下标k
    // 对于一个下标k,执行所有DFT合并中该下标对应的蝴蝶操作,即通过E[k]和O[k]计算X[k]
    // 蝴蝶操作参考:http://en.wikipedia.org/wiki/Butterfly_diagram
    for(int k = 0; k < step; k++) {
      // 计算omega^k. 这个方法效率低,但如果用每次乘omega的方法递推会有精度问题。
      // 有更快更精确的递推方法,为了清晰起见这里略去
      CD omegak = exp(CD(0, alpha*k)); 
      for(int Ek = k; Ek < n; Ek += step << 1) { // Ek是某次DFT合并中E[k]在原始序列中的下标
        int Ok = Ek + step; // Ok是该DFT合并中O[k]在原始序列中的下标
        CD t = omegak * a[Ok]; // 蝴蝶操作:x1 * omega^k
        a[Ok] = a[Ek] - t;  // 蝴蝶操作:y1 = x0 - t
        a[Ek] += t;         // 蝴蝶操作:y0 = x0 + t
      }
    }
  }

  if(inverse)
    for(int i = 0; i < n; i++) a[i] /= n;
}

// 用FFT实现的快速多项式乘法
inline vector<double> operator * (const vector<double>& v1, const vector<double>& v2) {
  int s1 = v1.size(), s2 = v2.size(), S = 2;
  while(S < s1 + s2) S <<= 1;
  vector<CD> a(S,0), b(S,0); // 把FFT的输入长度补成2的幂,不小于v1和v2的长度之和
  for(int i = 0; i < s1; i++) a[i] = v1[i];
  FFT(a, false);
  for(int i = 0; i < s2; i++) b[i] = v2[i];
  FFT(b, false);
  for(int i = 0; i < S; i++) a[i] *= b[i];
  FFT(a, true);
  vector<double> res(s1 + s2 - 1);
  for(int i = 0; i < s1 + s2 - 1; i++) res[i] = a[i].real(); // 虚部均为0
  return res;
}




//kuangbin 的板子,需要一些处理才能用
// 1 首先补成2^n 的形式,然后传入复数
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <algorithm>
#include <math.h>
using namespace std;

const double PI = acos(-1.0);
struct complex
{
    double r,i;
    complex(double _r = 0,double _i = 0)
    {
        r = _r; i = _i;
    }
    complex operator +(const complex &b)
    {
        return complex(r+b.r,i+b.i);
    }
    complex operator -(const complex &b)
    {
        return complex(r-b.r,i-b.i);
    }
    complex operator *(const complex &b)
    {
        return complex(r*b.r-i*b.i,r*b.i+i*b.r);
    }
};
void change(complex y[],int len)
{
    int i,j,k;
    for(i = 1, j = len/2;i < len-1;i++)
    {
        if(i < j)swap(y[i],y[j]);
        k = len/2;
        while( j >= k)
        {
            j -= k;
            k /= 2;
        }
        if(j < k)j += k;
    }
}
void fft(complex y[],int len,int on)
{
    change(y,len);
    for(int h = 2;h <= len;h <<= 1)
    {
        complex wn(cos(-on*2*PI/h),sin(-on*2*PI/h));
        for(int j = 0;j < len;j += h)
        {
            complex w(1,0);
            for(int k = j;k < j+h/2;k++)
            {
                complex u = y[k];
                complex t = w*y[k+h/2];
                y[k] = u+t;
                y[k+h/2] = u-t;
                w = w*wn;
            }
        }
    }
    if(on == -1)
        for(int i = 0;i < len;i++)
            y[i].r /= len;
}

const int MAXN = 400040;
complex x1[MAXN];
int a[MAXN/4];
long long num[MAXN];//100000*100000会超int
long long sum[MAXN];

int main()
{
    int T;
    int n;
    scanf("%d",&T);
    while(T--)
    {
        scanf("%d",&n);
        memset(num,0,sizeof(num));
        for(int i = 0;i < n;i++)
        {
            scanf("%d",&a[i]);
            num[a[i]]++;
        }
        sort(a,a+n);
        int len1 = a[n-1]+1;
        int len = 1;
        while( len < 2*len1 )len <<= 1;
        for(int i = 0;i < len1;i++)
            x1[i] = complex(num[i],0);
        for(int i = len1;i < len;i++)
            x1[i] = complex(0,0);
        fft(x1,len,1);
        for(int i = 0;i < len;i++)
            x1[i] = x1[i]*x1[i];
        fft(x1,len,-1);
        for(int i = 0;i < len;i++)
            num[i] = (long long)(x1[i].r+0.5);
        len = 2*a[n-1];
        //减掉取两个相同的组合
        for(int i = 0;i < n;i++)
            num[a[i]+a[i]]--;
        //选择的无序,除以2
        for(int i = 1;i <= len;i++)
        {
            num[i]/=2;
        }
        sum[0] = 0;
        for(int i = 1;i <= len;i++)
            sum[i] = sum[i-1]+num[i];
        long long cnt = 0;
        for(int i = 0;i < n;i++)
        {
            cnt += sum[len]-sum[a[i]];
            //减掉一个取大,一个取小的
            cnt -= (long long)(n-1-i)*i;
            //减掉一个取本身,另外一个取其它
            cnt -= (n-1);
            //减掉大于它的取两个的组合
            cnt -= (long long)(n-1-i)*(n-i-2)/2;
        }
        //总数
        long long tot = (long long)n*(n-1)*(n-2)/6;
        printf("%.7lf\n",(double)cnt/tot);
    }
    return 0;
}

  [1]: https://ss1.baidu.com/6ONXsjip0QIZ8tyhnq/it/u=3356269930,1126074676&fm=58
  [2]: https://img-blog.csdn.net/20171205133619162?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvYTQ5MzgyMzg4Mg==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/Center
  [3]: https://upload-images.jianshu.io/upload_images/9187198-4be4915dd66462ab.jpg?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/204
  
  
  
 #### FFT 题目总结
  1. [模板题](http://uoj.ac/problem/34)
  2 [Emma and sum of products](https://www.hackerrank.com/challenges/emma-and-sum-of-products/problem)(简单模板题)
 
  3 [Another Fibonacci ](https://www.codechef.com/problems/MOREFB#)(建议配合题解食用较好)
  4 [D. Fuzzy Search](http://codeforces.com/problemset/problem/528/D) 
 5. [ Rock Paper Scissors Lizard Spock.](https://nanti.jisuanke.com/t/26219)(FFT与字符串匹配模板题)
 6. [D - Rock Paper Scissors ](https://vjudge.net/contest/229017#problem/D)(FFT 与字符串)

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