快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)

快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)用來計算離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)及其逆變換(IDFT),本質(zhì)上多項式乘法實際上是多項式系數(shù)向量的卷積(convolution)
(以上百度)

看了很多網(wǎng)上關(guān)于FFT的講解卦停,有一些是直接忽略了公式的推導(dǎo)疼阔,另外一些有推導(dǎo),但是推導(dǎo)中的細(xì)節(jié)卻沒有講清楚待牵。本著不懂就學(xué)的心態(tài),我把FFT的思維和推導(dǎo)細(xì)節(jié)用公式講清楚,方便后人能更細(xì)致地學(xué)習(xí)FFT氯质。


在了解FFT之前譬淳,需要有一些前置的知識档址,以下為目錄。

  1. 歐拉函數(shù)
  2. 復(fù)數(shù)及單位根
  3. 多項式的系數(shù)邻梆、點值表達(dá)和多項式相乘
  4. FFT的思維過程(Cooley-Tukey 算法)
    4.1 DFT
    4.2 IDFT
  5. FFT的實現(xiàn)過程以及FNT

一守伸、歐拉函數(shù)

\tag{1} e^{i\theta}=cos\theta+isin\theta其中i為虛數(shù)單位即\tag{2} i^2 = -1即虛數(shù)單位\sqrt{-1}

二、復(fù)數(shù)及單位根

復(fù)數(shù)形式:a+bi浦妄,其中i為虛數(shù)單位


復(fù)數(shù)乘法:對于兩個復(fù)數(shù)A=a_0+b_0iB=a_1+b_1i顽馋,則A*B = a_0a_1+b_0b_1i^2+(a_0b_1+a_1b_0)i=a_0a_1-b_0b_1+(a_0b_1+a_1b_0)i
由于歐拉公式(見公式1)令a=rcos\theta , b=rsin\theta則復(fù)數(shù)\tag{3} a+bi = r(cos\theta + isin\theta)=re^{i\theta}
其中r為該復(fù)數(shù)所在復(fù)平面圓的半徑,\theta為該復(fù)數(shù)在復(fù)平面中的幅角助被。則兩個復(fù)數(shù)為A=r_Ae^{i\theta_{A}}, B=r_Be^{i\theta_{B}}鲸阻,即\tag{4}A*B=r_Ar_Be^{i(\theta_{A}+\theta_{B})}
根據(jù)4式可得,兩個復(fù)數(shù)的相乘可以看作是幅角相加阅懦,模長相乘和二。


單位根:對于滿足w^n=1方程的復(fù)數(shù),我們稱其為n次單位根耳胎。由于根據(jù)復(fù)數(shù)乘法惯吕,我們可知:復(fù)數(shù)相乘為幅角相加惕它,模長相乘。則對于每個單位根废登,模長為1怠缸,幅角的n倍為0。即r=1,sin{(n \theta )} = 0(易得)钳宪。

為了保證幅角的n倍始終為0揭北,由于sin(2k\pi)=0,k=0,1,2,...,n這個性質(zhì),我們可以將單位根表示為e^{\frac{2k\pi i}{n}},k=0,1,2,...,n吏颖,其中r=1,\theta=\frac{2k\pi }{n},k=0,1,2...,n搔体。

我們發(fā)現(xiàn)無論k取值,\theta的n倍始終為0半醉。

w_n=e^{\frac{2k\pi}{n}}疚俱,則n次單位根可以表示為w_n^{0},w_n^{1},w_n^{2},...,w_n^{n-1}

三、多項式的系數(shù)缩多、點值表達(dá)和多項式相乘

多項式的系數(shù)表達(dá):給定一個多項式\tag{5} f(x)=\sum_{i=0}^{n}a_ix^i =a_0x^0+a_1x^1+a_2x^2+...+a_{n-1}x^{n-1}+a_nx^n
其中\mathbf {a} = (a_0,a_1,a_2,...,a_n)為系數(shù)向量


多項式的點值表達(dá):給定一個多項式如公式(5)呆奕,我們將其離散化,設(shè)取n+1(這里為什么是n+1項衬吆,將在第四節(jié)中講到)互不相同的值P = \lbrace p_0,p_1,p_2,p_3,...,p_{n-1},p_n\rbrace梁钾,將其代入可得\tag{6} A(x)=\lbrace(p_0,f(p_0)),(p_1,f(p_1)),(p_2,f(p_2)),...,(p_n,f(p_n))\rbrace,則A(x)f(x)P上的點值表達(dá)逊抡。


多項式系數(shù)表達(dá)的乘法:給定兩個多項式\tag{6} A(x)=\sum_{i=0}^na_ix^i=a_0x^0+a_1x^1+a_2x^2+...+a_{n-1}x^{n-1}+a_nx^n
\tag{7} B(x)=\sum_{i=0}^nb_ix^i=b_0x^0+b_1x^1+b_2x^2+...+b_{n-1}x^{n-1}+b_nx^n
則多項式系數(shù)表達(dá)的乘法為\tag{8} C(x)=A(x)*B(x)=\sum_{i=0}^{2n}c_ix^i
其中:
\tag{9} c_i = \sum_{j+k=i,0\leq j,k\leq n} a_jb_kx^i
有式(9)可得姆泻,計算復(fù)雜度為\omicron(n^2)


多項式點值表達(dá)的乘法:給定兩個多項式如式(6)與(7),則其在P=\lbrace p_0,p_1,p_2,...,p_{n-1},p_n \rbrace上的點值表達(dá)分別為:
\tag{10} A'(x)=\lbrace(p_0,A(p_0)),(p_1,A(p_1)),(p_2,A(p_2)),...,(p_n,A(p_n))\rbrace
\tag{11} B'(x)=\lbrace(p_0,B(p_0)),(p_1,B(p_1)),(p_2,B(p_2)),...,(p_n,B(p_n))\rbrace
則多項式點值表達(dá)的乘法為
\tag{12} C'(x) =A'(x)*B'(x)=\lbrace (p_0,A(p_0)*B(p_0)),(p_1,A(p_1)*B(p_1)),(p_2,A(p_2)*B(p_2)),...,(p_n,A(p_n)*B(p_n))\rbrace
可見冒嫡,當(dāng)我們已知A'(x)和B'(x)即可在\omicron(n)的復(fù)雜度下求得結(jié)果多項式的點值表達(dá)拇勃。

四、FFT的思維過程(Cooley-Tukey 算法)

對于一個多項式的乘法孝凌,根據(jù)上述前置知識的補(bǔ)充方咆,我們可以得知:降低多項式乘法復(fù)雜度的方法是將常見的多項式系數(shù)表達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)槎囗検降狞c值表達(dá),做完點值表達(dá)的乘法后蟀架,最后再將點值表達(dá)轉(zhuǎn)化為系數(shù)表達(dá)瓣赂,即可完成多項式乘法。
所以問題轉(zhuǎn)變?yōu)椋?br> 1.如何將多項式系數(shù)表達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)槎囗検近c值表達(dá)
2.如何將多項式點值表達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)槎囗検较禂?shù)表達(dá)
由此引出了離散傅里葉變換 DFT(Discrete Fourier Transformation)和逆離散傅里葉變換 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transformation)

4.1 離散傅里葉變換DFT(Discrete Fourier Transformation)

離散化多項式的一種方法是將值代入到多項式中辜窑,依次求出點值钩述。顯而易見,這種方法的復(fù)雜度是\omicron(n^2)的穆碎,這與我們降低復(fù)雜度的想法是沖突的。
于是我們引入了FFT的經(jīng)典算法——Cooley-Tukey 算法职恳,來降低離散化的復(fù)雜度所禀,這是一個基于分治策略的算法方面。


給定一個多項式\tag{13} A(x)=\sum_{i=0}^na_ix^i=a_0x^0+a_1x^1+a_2x^2+...+a_{n-1}x^{n-1}+a_nx^n
我們將其根據(jù)奇偶項分成兩個項數(shù)相同的多項式(將多項式補(bǔ)充到2^k項,n\leq 2^k,補(bǔ)充項數(shù)系數(shù)為0色徘。PS:為什么是2^k項呢恭金,后續(xù)將會提及):
\tag{14} A_0(x)=\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i}x^{2i}=a_0x^0+a_2x^2+...+a_nx^n
\tag{15} A_1(x)=\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i+1}x^{2i+1}=x\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i+1}x^{2i}=a_1x^1+a_3x^3+...+a_{n-1}x^{n-1}
顯而易見:A(x)=A_0(x)+A_1(x)


在進(jìn)一步之前:我們需要返回單位根的知識點。根據(jù)n次單位根的表達(dá)w_n^k,k=0,1,2,...,n-1褂策,我們可以獲得一個等式
\tag{16} w_n^{\frac{n}{2}+k}=w_n^{\frac{n}{2}}·w_n^k=-w_n^k


我們將其代入式子(14)横腿,(15)可得:
\tag{17} A_0(w_n^k)=\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i}w_n^{2ki}=\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i}w_{\frac{n}{2}}^{ki}
\tag{18} A_1(w_n^k)=\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i+1}w_n^{2ki+1}=w_n^k\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i+1}w_n^{2ki}=w_n^k\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i+1}w_{\frac{n}{2}}^{ki}
\tag{19} A(w_n^k)=\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i}w_{\frac{n}{2}}^{ki}+w_n^k\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i+1}w_{\frac{n}{2}}^{ki}
至此我們發(fā)現(xiàn)原本需要n次代入值的等式降低到了\frac{n}{2}次,依次遞歸下去斤寂,則我們只需要遞歸log_2{n}次即可在\omicron(1)的復(fù)雜度下求得式子耿焊,即我們求得n+1個點值對的復(fù)雜度為\omicron(nlog_2n),是可以接受的復(fù)雜度遍搞。


為了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C明罗侯,以下過程供還有疑問的讀者參考
由于式子(16)可得w_n^k=-w_n^{\frac{n}{2}+k}
\tag{20} A(w_n^{\frac{n}{2}+k})=\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i}w_{\frac{n}{2}}^{(\frac{n}{2}+k)i}+w_n^{\frac{n}{2}+k}\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i+1}w_{\frac{n}{2}}^{(\frac{n}{2}+k)i}=\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i}w_{\frac{n}{2}}^{ki}-w_n^k\sum_{i=0}^{\frac{n}{2}-1}a_{2i+1}w_{\frac{n}{2}}^{ki}
其中求和中的w_{\frac{n}{2}}^{(\frac{n}{2}+k)i}直接被替換為w_{\frac{n}{2}}^{ki}的原因是,經(jīng)過平方以后溪猿,負(fù)號被抵消钩杰。
復(fù)雜度公式則為T(n)=T(\frac{n}{2})+\omicron({n})=\omicron({nlog_2n})


以上為Cooley-Tukey離散傅里葉變換DFT的思路。

我們回到為什么我們要將多項式補(bǔ)充到2^k項的問題上诊县,我們發(fā)現(xiàn)讲弄,根據(jù)Cooley-Tukey 分治的策略,我們需要每次分治的兩部分都有同樣的項數(shù)依痊,則總項數(shù)必須為2^k項垂睬。

4.2 逆離散傅里葉變換IDFT(Inverse Discrete Fourier Transformation)

經(jīng)過DFT,我們將多項式的系數(shù)表達(dá)轉(zhuǎn)換為多項式的點值表達(dá)抗悍。在完成乘法運(yùn)算以后驹饺,我們?yōu)榱双@取系數(shù)的變換,需要將多項式的點值表達(dá)轉(zhuǎn)換為多項式的系數(shù)表達(dá)缴渊。這時我們使用的方法是逆離散傅里葉變換IDFT赏壹,他是DFT的逆。


求解IDFT的過程實際上是一個求解線性方程的問題衔沼,給出n個線性方程為:
\tag{21}\begin{cases} a^0(w_n^0)^0+a^1(w_n^0)^1 + ... +a^{n-1}(w_n^0)^{n-1} = A(w_n^0)\\ a^0(w_n^1)^0+a^1(w_n^1)^1 + ... +a^{n-1}(w_n^1)^{n-1} = A(w_n^1)\\...\\a^0(w_n^{n-1})^0+a^1(w_n^{n-1})^1 + ... +a^{n-1}(w_n^{n-1})^{n-1} = A(w_n^{n-1}) \end{cases}矩陣形式如下:
\tag{22} \begin{bmatrix} (w_n^0)^0 & (w_n^0)^1&...&(w_n^0)^{n-1} \\ (w_n^1)^0 & (w_n^1)^1&...&(w_n^1)^{n-1}\\...\\(w_n^{n-1})^0 & (w_n^{n-1})^1&...&(w_n^{n-1})^{n-1} \end{bmatrix} \begin{bmatrix}a^0\\a^1\\...\\a^{n-1}\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}A(w_n^0)\\A(w_n^1)\\...\\A(w_n^{n-1})\end{bmatrix}
假設(shè)上述矩陣為\mathbf V蝌借,則對于矩陣\mathbf D中值d_{ij}=-v_n^{ij}
\tag{23} D=\begin{bmatrix} (w_n^{-0})^0 & (w_n^{-0})^1&...&(w_n^{-0})^{n-1} \\ (w_n^{-1})^0 & (w_n^{-1})^1&...&(w_n^{-1})^{n-1}\\...\\(w_n^{-(n-1)})^0 & (w_n^{-(n-1)})^1&...&(w_n^{-(n-1)})^{n-1} \end{bmatrix}
設(shè)兩個矩陣相乘以后的結(jié)果為\mathbf E=\mathbf D ·\mathbf V
\tag{24} e_{ij} =\sum_{k=0}^{n-1}d_{ik}v_{kj}=\sum_{k=0}^{n-1}w_n^{-ik}w_n^{kj}=\sum_{k=0}^{n-1}w_n^{k(j-i)}
當(dāng)j=i時,e_{ij}=n
當(dāng)j\neq i時指蚁,e_{ij}=\frac{1-(w_n^{j-i})^n}{1-(w_n^{j-i})}=0
(其中由于w_n^{j-i}n次單位根菩佑,又因為n次單位根的n次為1,所以上式成立)
所以\mathbf E=n\mathbf I,\mathbf D=\frac{1}{n}\mathbf V^{-1}(其中\(zhòng)mathbf I 為單位矩陣)
\tag{25} \begin{bmatrix}a^0\\a^1\\...\\a^{n-1}\end{bmatrix}= \frac{1}{n}\begin{bmatrix} (w_n^{-0})^0 & (w_n^{-0})^1&...&(w_n^{-0})^{n-1} \\ (w_n^{-1})^0 & (w_n^{-1})^1&...&(w_n^{-1})^{n-1}\\...\\(w_n^{-(n-1)})^0 & (w_n^{-(n-1)})^1&...&(w_n^{-(n-1)})^{n-1} \end{bmatrix}\begin{bmatrix}A(w_n^0)\\A(w_n^1)\\...\\A(w_n^{n-1})\end{bmatrix}
則IDFT便是將w_n^{i}=w_n^{-i}對結(jié)果再做一次DFT凝化,即可獲得最后的系數(shù)稍坯。

回到為什么要有n+1取值的原因在于:為了多項式的點值表達(dá)轉(zhuǎn)換為多項式的系數(shù)表達(dá),我們需要系數(shù)矩陣可逆,為了使得系數(shù)矩陣可逆瞧哟,需要滿足矩陣滿秩混巧,為了滿足矩陣滿秩,我們需要使得矩陣的行數(shù)大于等于列數(shù)勤揩。則對于有n+1個系數(shù)的多項式咧党,必須要有n+1個以上的取值

四、FFT的實現(xiàn)過程以及FNT

在具體實現(xiàn)FFT的過程中陨亡,還需要考慮到對于每一次遞歸我們?nèi)绾芜M(jìn)行合理的劃分傍衡。于是這里引入bitreverse算法,也叫做蝴蝶變換负蠕。

16個數(shù)進(jìn)行DFT變換劃分過程

如圖所示蛙埂,這是16個數(shù)進(jìn)行DFT變換劃分的過程。網(wǎng)上的步驟說的很復(fù)雜虐急,簡單來說箱残,對于DFT的第i次劃分,二進(jìn)制第i位上為1的分為一類止吁,為0的分為一類被辑,即可完成。
舉例說明:

  1. 對于步驟一來說敬惦,第1次劃分盼理,二進(jìn)制第1位(即右邊第一位)為0的分到左邊,為1的分到右邊俄删。我們可以發(fā)現(xiàn)左邊都為偶數(shù)宏怔,右邊都為奇數(shù)。(因為奇數(shù)二進(jìn)制第1位為1)
  2. 對于步驟二的左半部分畴椰,第2次劃分臊诊,二進(jìn)制第2位(即右邊第二位)為0的分到左邊,為1的分到右邊斜脂。同理抓艳,右半部分,第2次劃分帚戳,也是二進(jìn)制第2位(即右邊第二位)為0的分到左邊玷或,為1的分到右邊。
  3. 同理片任,對每次的分組進(jìn)行劃分偏友,即可將所有的數(shù)字劃分到對應(yīng)的組中。

通過這種劃分方法对供,我們同時還能總結(jié)出另外一個規(guī)律位他,對于對于2^k個數(shù)字中的任意一個位置的數(shù)字,假設(shè)原本位置為x,二進(jìn)制反轉(zhuǎn)的函數(shù)為inverse(x)棱诱,則最后其所在的位置為inverse(x)(第一個位置為0)泼橘,其中xk位二進(jìn)制涝动。
舉例說明:
對于16(2^4)個數(shù)字中的14(1110)迈勋,則其4位二進(jìn)制的反轉(zhuǎn)為0111(7),則其最后的位置為第7位(ps:圖中沒有繼續(xù)將所有的數(shù)字劃分到每組一個醋粟,讀者可自行劃分檢驗)


這里可以補(bǔ)充一個寫法:假如我們將原數(shù)組定義為A靡菇,經(jīng)過反轉(zhuǎn)后的數(shù)組定義為B,則A[reverse(i)]=B[i]米愿。
又因為如果i是偶數(shù)厦凤,則i=(i>>1)<<1,則對于reverse(i)=reverse(i>>1)>>1育苟,但考慮到如果是i是奇數(shù)较鼓,則((i>>1) << 1) | 1,則對于reverse(i)=reverse(i>>1)>>1|(1<<(k-1))其中k為滿足2^k>n的最小值违柏。
綜合寫可以寫成reverse(i)=reverse(i>>1)>>1 | (i\&1) << (k-1)
通過這個寫法博烂,我們可以直接寫出所有數(shù)字經(jīng)過DFT劃分后的結(jié)果。

參考:從多項式乘法到快速傅里葉

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    BlueHeart0621閱讀 427評論 0 1