[模板] 快速沃尔什变换

快速沃尔什变换

快速沃尔什变换是求这样的式子:

对序列 (A), (B), 求序列 (C), 使得

[C_{i}=sum_{j oplus k} A_{j} B_{k} ]

其中 (oplus) 是任意位运算.

算法

类似 FFT, 构造从序列映射到序列的函数 (FWT(F))(operatorname{UFWT}()), 满足

[operatorname{FWT}(C)_i = operatorname{FWT}(A)_i cdot operatorname{FWT}(B)_i ag{1} ]

[operatorname{UFWT}(operatorname{FWT}(C)) = C ag{2} ]

这样, 我们就可以把序列通过 (operatorname{FWT}) 转换, 把位运算转换为点值乘法, 再通过 (operatorname{FWT}) 转换回来.

构造

或运算

举或运算为例.

考虑倍增地构造 (FWT(F)). 记长为 (n) 的序列 (A) 的低 (frac n2) 位为 (A_0), 高 (frac n2) 位为 (A_1).

假设已经得到了 (FWT(A_0))(FWT(A_1)), 我们构造

[egin{cases} FWT(A)_0 = FWT(A_0) \ FWT(A)_1 = FWT(A_0)+FWT(A_1) \ end{cases} ]

可以证明这样构造出来的式子满足 ((1)) 式.

然后我们可以根据 ((2)) 解出 (UFWT(F)) (在式子两边套上 (UFWT()) 即可):

[egin{cases} UFWT(A)_0 = UFWT(A_0) \ UFWT(A)_1 = UFWT(A_1)-UFWT(A_0) \ end{cases} ]

我们还可以给出 (FWT()) 函数的显式:

[FWT(A)_i=sum_{i=i lor j} A_j ]

与运算

类似的, 可以对与运算构造:

[FWT(A)_i=sum_{i=i land j} A_j ]

[egin{cases} FWT(A)_0 = FWT(A_0)+FWT(A_1) \ FWT(A)_1 = FWT(A_1) \ end{cases} ]

[egin{cases} UFWT(A)_0 = UFWT(A_0)-UFWT(A_1) \ UFWT(A)_1 = UFWT(A_1) \ end{cases} ]

异或运算

[FWT(A)_i=sum_{j} (-1)^{ popcount(i land j)} A_j ]

其中 $popcount(n)$ 是 $n$ 的二进制表示中 $1$ 的个数.

[egin{cases} FWT(A)_0 = FWT(A_0)+FWT(A_1) \ FWT(A)_1 = FWT(A_0)-FWT(A_1) \ end{cases} ]

[egin{cases} UFWT(A)_0 = frac{UFWT(A_0)+UFWT(A_1)}2 \ UFWT(A)_1 = frac{UFWT(A_0)-UFWT(A_1)}2 \ end{cases} ]

其他运算

容易发现其他运算可以通过 (lnot) 转换成以上三种运算.

因此, 只要对 (A), (B), 或者 (C) 下标取反 ((C_i' = C_{lnot i})) 即可.

例如, 对于 (nor) 运算, 只要计算 (or) 运算, 然后对 (C) 下标取反即可.

事实上, 由于任何位运算都可以用 (lnot)(lor) 表示出来, 仅仅用 (lor) 的 FWT 就可以计算所有位运算卷积. (然而难写)

代码


#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<cmath>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<map>
#include<set>
using namespace std;
#define rep(i,l,r) for(register int i=(l);i<=(r);++i)
#define repdo(i,l,r) for(register int i=(l);i>=(r);--i)
#define il inline
typedef long long ll;
typedef double db;

//---------------------------------------
const int nsz=3e5+50; 
const int nmod=998244353,inv2=499122177;
int n,l,a[nsz],b[nsz],c[nsz];

int c1[nsz],c2[nsz];
void cp(int *a,int *b,int n){memcpy(a,b,n*sizeof(int));}


void fwtor(int *a,int n,int fl){
	for(int i=1;i<n;i<<=1){
		for(int j=0,p=i<<1;j<n;j+=p){
			for(int k=0;k<i;++k){
				int x=a[j+k],y=a[j+k+i];
				a[j+k+i]=(y+fl*x)%nmod;
			}
		}
	}
}
void fwtand(int *a,int n,int fl){
	for(int i=1;i<n;i<<=1){
		for(int j=0,p=i<<1;j<n;j+=p){
			for(int k=0;k<i;++k){
				int x=a[j+k],y=a[j+k+i];
				a[j+k]=(x+fl*y)%nmod;
			}
		}
	}
}
void fwtxor(int *a,int n,int fl){
	int val=(fl==1?1:inv2);
	for(int i=1;i<n;i<<=1){
		for(int j=0,p=i<<1;j<n;j+=p){
			for(int k=0;k<i;++k){
				int x=a[j+k],y=a[j+k+i];
				a[j+k]=(x+y)*(ll)val%nmod;
				a[j+k+i]=(x-y)*(ll)val%nmod;
			}
		}
	}
}

void mul(int *a,int *b,int *c,int n,void (*fwt)(int*,int,int)){
	//align n to 2^k
	cp(c1,a,n),cp(c2,b,n);
	fwt(c1,n,1),fwt(c2,n,1);
	rep(i,0,n-1)c1[i]=(ll)c1[i]*c2[i]%nmod;
	fwt(c1,n,-1);
	cp(c,c1,n);
}

int main(){
	ios::sync_with_stdio(0),cin.tie(0);
	cin>>l;
	n=(1<<l);
	rep(i,0,n-1)cin>>a[i];
	rep(i,0,n-1)cin>>b[i];
	mul(a,b,c,n,fwtor);
	rep(i,0,n-1)cout<<(c[i]+nmod)%nmod<<' ';
	cout<<'
';
	mul(a,b,c,n,fwtand);
	rep(i,0,n-1)cout<<(c[i]+nmod)%nmod<<' ';
	cout<<'
';
	mul(a,b,c,n,fwtxor);
	rep(i,0,n-1)cout<<(c[i]+nmod)%nmod<<' ';
	cout<<'
';
	return 0;
}

参考

原文地址:https://www.cnblogs.com/ubospica/p/11144676.html