C#，《小白学程序》第二十六课：大数乘法（BigInteger Multiply）的Toom-Cook 3算法及源程序

news2024/11/16 12:33:12

凑数的，仅供参考。

1 文本格式

/// <summary>
/// 《小白学程序》第二十六课：大数（BigInteger）的Toom-Cook 3乘法
/// Toom-Cook 3-Way Multiplication
/// </summary>
/// <param name="a"></param>
/// <param name="b"></param>
/// <returns></returns>
public static string toom_cook3_multiply(string a, string b)
{
    int n = Math.Max(a.Length, b.Length);
    int[] ra = string_to_digitals(a, n);
    int[] rb = string_to_digitals(b, n);
    toom_cook3_process_00(ra, rb, out int[] rz);
    toom_cook3_carry(rz, n * 2);
    return digitals_to_string(rz);
}

/// <summary>
/// 短数字的乘法（常规乘法，小学生算法）
/// </summary>
/// <param name="a"></param>
/// <param name="b"></param>
/// <param name="z"></param>
private static void toom_cook3_normal(int[] a, int[] b, ref int[] z)
{
    int n = a.Length;
    for (int j = 0; j < n; j++)
    {
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            z[j + i] += a[i] * b[j];
        }
    }
}

/// <summary>
/// 完全按原始C++代码改写；运行成功；
/// </summary>
/// <param name="a"></param>
/// <param name="b"></param>
/// <param name="z"></param>
private static void toom_cook3_process_01(int[] a, int[] b, out int[] z)
{
    int n = a.Length;
    int n1 = n * 1 / 3;
    int n2 = n * 2 / 3;
    int n3 = n * 3 / 3;
    int n4 = n * 4 / 3;

    z = new int[n * 2];
    if (n <= 9)
    {
        toom_cook3_normal(a, b, ref z);
        return;
    }

    // int *a0 = &a[0];
    // Multiplicand / right side array pointer
    int a0 = 0;
    // int *a1 = &a[tLen / 3];
    // Multiplicand / central array pointer
    int a1 = n1;
    // int *a2 = &a[tLen * 2/ 3];
    // Multiplicand / left side array pointer
    int a2 = n2;// n * 2 / 3;

    // int *b0 = &b[0];
    // Multiplier / right side array pointer
    int b0 = 0;
    // int *b1 = &b[tLen / 3];
    // Multiplier / central array pointer
    int b1 = n1;
    // int *b2 = &b[tLen * 2 / 3];
    // Multiplier / left side array pointer
    int b2 = n2;// n * 2 / 3;

    // int *c0 = &z[(tLen / 3) * 0];
    int[] c0 = new int[n2];
    int[] c1 = new int[n2];
    // int *c2 = &z[(tLen / 3) * 2];
    int[] c2 = new int[n2];
    int[] c3 = new int[n2];
    // int *c4 = &z[(tLen / 3) * 4];
    int[] c4 = new int[n2];

    int[] a_m2 = new int[n1];  // a(-2)
    int[] a_m1 = new int[n1];  // a(-1)
    int[] a_0 = new int[n1];   // a(0)
    int[] a_1 = new int[n1];   // a(1)
    int[] a_inf = new int[n1]; // a(inf)
    int[] b_m2 = new int[n1];  // b-2)
    int[] b_m1 = new int[n1];  // b-1)
    int[] b_0 = new int[n1];   // b(0)
    int[] b_1 = new int[n1];   // b(1)
    int[] b_inf = new int[n1]; // b(inf)

    // ==== a(-2) = 4 * a2 - 2 * a1 + a0, b(-2) = 4 * b2 - 2 * b1 + b0
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_m2[i] = (a[a2 + i] << 2) - (a[a1 + i] << 1) + a[a0 + i];
        b_m2[i] = (b[b2 + i] << 2) - (b[b1 + i] << 1) + b[b0 + i];
    }
    // ==== c(-2) = a(-2) * b(-2)
    toom_cook3_process_01(a_m2, b_m2, out int[] c_m2);

    // ==== a(-1) = a2 - a1 + a0, b(-1) = b2 - b1 + b0
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_m1[i] = a[a2 + i] - a[a1 + i] + a[a0 + i];
        b_m1[i] = b[b2 + i] - b[b1 + i] + b[b0 + i];
    }
    // ==== c(-1) = a(-1) * b(-1)
    toom_cook3_process_01(a_m1, b_m1, out int[] c_m1);

    // ==== a(0) = a0, b(0) = b0
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_0[i] = a[a0 + i];
        b_0[i] = b[b0 + i];
    }
    // ==== c(0) = a(0) * b(0)
    toom_cook3_process_01(a_0, b_0, out int[] c_0);

    // ==== a(1) = a2 + a1 + a0, b(1) = b2 + b1 + b0
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_1[i] = a[a2 + i] + a[a1 + i] + a[a0 + i];
        b_1[i] = b[b2 + i] + b[b1 + i] + b[b0 + i];
    }
    // ==== c(1) = a(1) * b(1)
    toom_cook3_process_01(a_1, b_1, out int[] c_1);

    // ==== a(inf) = a2, b(inf) = b2
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_inf[i] = a[a2 + i];
        b_inf[i] = b[b2 + i];
    }

    // ==== c(inf) = a(inf) * b(inf)
    toom_cook3_process_01(a_inf, b_inf, out int[] c_inf);

    // ==== c4 = 6 * c(inf) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c4[i] = c_inf[i];
    }
    // ==== c3 = -c(-2) + 3 * c(-1) - 3 * c(0) + c(1) + 12 * c(inf) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c3[i] = -c_m2[i];
        c3[i] += (c_m1[i] << 1) + c_m1[i];
        c3[i] -= (c_0[i] << 1) + c_0[i];
        c3[i] += c_1[i];
        c3[i] += (c_inf[i] << 3) + (c_inf[i] << 2);
        c3[i] /= 6;
    }
    // ==== c2 = 3 * c(-1) - 6 * c(0) + 3 * c(1) - 6 * c(inf) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c2[i] = (c_m1[i] << 1) + c_m1[i];
        c2[i] -= (c_0[i] << 2) + (c_0[i] << 1);
        c2[i] += (c_1[i] << 1) + c_1[i];
        c2[i] -= (c_inf[i] << 2) + (c_inf[i] << 1);
        c2[i] /= 6;
    }
    // ==== c1 = c(-2) - 6 * c(-1) + 3 * c(0) + 2 * c(1) - 12 * c(inf) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c1[i] = c_m2[i];
        c1[i] -= (c_m1[i] << 2) + (c_m1[i] << 1);
        c1[i] += (c_0[i] << 1) + c_0[i];
        c1[i] += (c_1[i] << 1);
        c1[i] -= (c_inf[i] << 3) + (c_inf[i] << 2);
        c1[i] /= 6;
    }
    // ==== c0 = 6 * c(0) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c0[i] = c_0[i];
    }
    // ==== z = c4 * x^4 + c3 * x^3 + c2 * x^2 + c1 * x + c0
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        z[i + n4] += c4[i];
        z[i + n3] += c3[i];
        z[i + n2] += c2[i];
        z[i + n1] += c1[i];
        z[i] += c0[i];
    }
}
 


    /// <summary>
    /// 乘积和的进位计算
    /// </summary>
    /// <param name="a"></param>
    /// <param name="n"></param>
    /// <exception cref="Exception"></exception>
    private static void toom_cook3_carry(int[] a, int n)
    {
        int cr = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            a[i] += cr;
            if (a[i] < 0)
            {
                cr = -(-(a[i] + 1) / 10 + 1);
            }
            else
            {
                cr = a[i] / 10;
            }
            a[i] -= cr * 10;
        }
        if (cr != 0)
        {
            // Overflow
            throw new Exception("OVERFLOW! cr=" + cr);
        }
    }

2 代码格式

/// <summary>
/// 《小白学程序》第二十六课：大数（BigInteger）的Toom-Cook 3乘法
/// Toom-Cook 3-Way Multiplication
/// </summary>
/// <param name="a"></param>
/// <param name="b"></param>
/// <returns></returns>
public static string toom_cook3_multiply(string a, string b)
{
    int n = Math.Max(a.Length, b.Length);
    int[] ra = string_to_digitals(a, n);
    int[] rb = string_to_digitals(b, n);
    toom_cook3_process_00(ra, rb, out int[] rz);
    toom_cook3_carry(rz, n * 2);
    return digitals_to_string(rz);
}

/// <summary>
/// 短数字的乘法（常规乘法，小学生算法）
/// </summary>
/// <param name="a"></param>
/// <param name="b"></param>
/// <param name="z"></param>
private static void toom_cook3_normal(int[] a, int[] b, ref int[] z)
{
    int n = a.Length;
    for (int j = 0; j < n; j++)
    {
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            z[j + i] += a[i] * b[j];
        }
    }
}

/// <summary>
/// 完全按原始C++代码改写；运行成功；
/// </summary>
/// <param name="a"></param>
/// <param name="b"></param>
/// <param name="z"></param>
private static void toom_cook3_process_01(int[] a, int[] b, out int[] z)
{
    int n = a.Length;
    int n1 = n * 1 / 3;
    int n2 = n * 2 / 3;
    int n3 = n * 3 / 3;
    int n4 = n * 4 / 3;

    z = new int[n * 2];
    if (n <= 9)
    {
        toom_cook3_normal(a, b, ref z);
        return;
    }

    // int *a0 = &a[0];
    // Multiplicand / right side array pointer
    int a0 = 0;
    // int *a1 = &a[tLen / 3];
    // Multiplicand / central array pointer
    int a1 = n1;
    // int *a2 = &a[tLen * 2/ 3];
    // Multiplicand / left side array pointer
    int a2 = n2;// n * 2 / 3;

    // int *b0 = &b[0];
    // Multiplier / right side array pointer
    int b0 = 0;
    // int *b1 = &b[tLen / 3];
    // Multiplier / central array pointer
    int b1 = n1;
    // int *b2 = &b[tLen * 2 / 3];
    // Multiplier / left side array pointer
    int b2 = n2;// n * 2 / 3;

    // int *c0 = &z[(tLen / 3) * 0];
    int[] c0 = new int[n2];
    int[] c1 = new int[n2];
    // int *c2 = &z[(tLen / 3) * 2];
    int[] c2 = new int[n2];
    int[] c3 = new int[n2];
    // int *c4 = &z[(tLen / 3) * 4];
    int[] c4 = new int[n2];

    int[] a_m2 = new int[n1];  // a(-2)
    int[] a_m1 = new int[n1];  // a(-1)
    int[] a_0 = new int[n1];   // a(0)
    int[] a_1 = new int[n1];   // a(1)
    int[] a_inf = new int[n1]; // a(inf)
    int[] b_m2 = new int[n1];  // b-2)
    int[] b_m1 = new int[n1];  // b-1)
    int[] b_0 = new int[n1];   // b(0)
    int[] b_1 = new int[n1];   // b(1)
    int[] b_inf = new int[n1]; // b(inf)

    // ==== a(-2) = 4 * a2 - 2 * a1 + a0, b(-2) = 4 * b2 - 2 * b1 + b0
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_m2[i] = (a[a2 + i] << 2) - (a[a1 + i] << 1) + a[a0 + i];
        b_m2[i] = (b[b2 + i] << 2) - (b[b1 + i] << 1) + b[b0 + i];
    }
    // ==== c(-2) = a(-2) * b(-2)
    toom_cook3_process_01(a_m2, b_m2, out int[] c_m2);

    // ==== a(-1) = a2 - a1 + a0, b(-1) = b2 - b1 + b0
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_m1[i] = a[a2 + i] - a[a1 + i] + a[a0 + i];
        b_m1[i] = b[b2 + i] - b[b1 + i] + b[b0 + i];
    }
    // ==== c(-1) = a(-1) * b(-1)
    toom_cook3_process_01(a_m1, b_m1, out int[] c_m1);

    // ==== a(0) = a0, b(0) = b0
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_0[i] = a[a0 + i];
        b_0[i] = b[b0 + i];
    }
    // ==== c(0) = a(0) * b(0)
    toom_cook3_process_01(a_0, b_0, out int[] c_0);

    // ==== a(1) = a2 + a1 + a0, b(1) = b2 + b1 + b0
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_1[i] = a[a2 + i] + a[a1 + i] + a[a0 + i];
        b_1[i] = b[b2 + i] + b[b1 + i] + b[b0 + i];
    }
    // ==== c(1) = a(1) * b(1)
    toom_cook3_process_01(a_1, b_1, out int[] c_1);

    // ==== a(inf) = a2, b(inf) = b2
    for (int i = 0; i < n1; i++)
    {
        a_inf[i] = a[a2 + i];
        b_inf[i] = b[b2 + i];
    }

    // ==== c(inf) = a(inf) * b(inf)
    toom_cook3_process_01(a_inf, b_inf, out int[] c_inf);

    // ==== c4 = 6 * c(inf) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c4[i] = c_inf[i];
    }
    // ==== c3 = -c(-2) + 3 * c(-1) - 3 * c(0) + c(1) + 12 * c(inf) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c3[i] = -c_m2[i];
        c3[i] += (c_m1[i] << 1) + c_m1[i];
        c3[i] -= (c_0[i] << 1) + c_0[i];
        c3[i] += c_1[i];
        c3[i] += (c_inf[i] << 3) + (c_inf[i] << 2);
        c3[i] /= 6;
    }
    // ==== c2 = 3 * c(-1) - 6 * c(0) + 3 * c(1) - 6 * c(inf) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c2[i] = (c_m1[i] << 1) + c_m1[i];
        c2[i] -= (c_0[i] << 2) + (c_0[i] << 1);
        c2[i] += (c_1[i] << 1) + c_1[i];
        c2[i] -= (c_inf[i] << 2) + (c_inf[i] << 1);
        c2[i] /= 6;
    }
    // ==== c1 = c(-2) - 6 * c(-1) + 3 * c(0) + 2 * c(1) - 12 * c(inf) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c1[i] = c_m2[i];
        c1[i] -= (c_m1[i] << 2) + (c_m1[i] << 1);
        c1[i] += (c_0[i] << 1) + c_0[i];
        c1[i] += (c_1[i] << 1);
        c1[i] -= (c_inf[i] << 3) + (c_inf[i] << 2);
        c1[i] /= 6;
    }
    // ==== c0 = 6 * c(0) / 6
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        c0[i] = c_0[i];
    }
    // ==== z = c4 * x^4 + c3 * x^3 + c2 * x^2 + c1 * x + c0
    for (int i = 0; i < n2; i++)
    {
        z[i + n4] += c4[i];
        z[i + n3] += c3[i];
        z[i + n2] += c2[i];
        z[i + n1] += c1[i];
        z[i] += c0[i];
    }
}


    /// <summary>
    /// 乘积和的进位计算
    /// </summary>
    /// <param name="a"></param>
    /// <param name="n"></param>
    /// <exception cref="Exception"></exception>
    private static void toom_cook3_carry(int[] a, int n)
    {
        int cr = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            a[i] += cr;
            if (a[i] < 0)
            {
                cr = -(-(a[i] + 1) / 10 + 1);
            }
            else
            {
                cr = a[i] / 10;
            }
            a[i] -= cr * 10;
        }
        if (cr != 0)
        {
            // Overflow
            throw new Exception("OVERFLOW! cr=" + cr);
        }
    }

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地图结构 | 详解八叉树Octomap原理与Rviz可视化

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目录 0 专栏介绍1 点云地图的局限性2 八叉树基本原理3 Octovis可视化4 点云转化octomap5 ROS Rviz可视化 0 专栏介绍 &#x1f525;附C/Python/Matlab全套代码&#x1f525;课程设计、毕业设计、创新竞赛必备&#xff01;详细介绍全局规划(图搜索、采样法、智能算法等)&#x…
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Web 器学习笔记（基础）

Web 器学习笔记（基础）

Filter 过滤器 概念&#xff1a;表示过滤器&#xff0c;是 JavaWeb 三大组件&#xff08;Servlet、Filter、Listener&#xff09;之一 作用&#xff1a;顾名思义可以过滤资源的请求&#xff0c;并实现特殊的需求 Filter 接口及它核心的 doFilter() 方法&#xff08;执行前就是…
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JVM 第一章：Java运行时数据区

JVM 第一章：Java运行时数据区

目录 一.了解JVM 1.1什么是JVM 1.2JRE/JDK/JVM 1.3JVM的整体结构 二.Java运行时数据区 2.1程序计数器(PC寄存器) 2.2Java虚拟机栈&#xff08;Java Virtual Machine Stacks&#xff09; 2.2.1栈帧的组成 2.2.2问题辨析 2.2.3逃逸分析 ①栈上分配 ②标量分析 ③同步…
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深入探究Spring自动配置原理及SPI机制：实现灵活的插件化开发

深入探究Spring自动配置原理及SPI机制：实现灵活的插件化开发

文章目录 前言SpringBootApplication 注解AutoConfigurationPackage 注解AutoConfigurationImportSelector SPI 机制和 SpringFactoriesLoaderJDK 中的 SPI 机制SpringFactoriesLoader ConditionalOn 系列条件注解ConditionalOn 系列条件注解的示例ConditionalOn 系列条件注解的…
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MySQL中如何识别低效的索引

MySQL中如何识别低效的索引

我是一个目录 前言(可以跳过直接看正文)索引的基本原理索引设计的原则创建索引的原则 正文使用索引查询一定能提高查询的性能吗&#xff1f;怎样查看索引是否有高选择性&#xff1f;用一条SQL查看低效的索引 前言(可以跳过直接看正文) 索引的基本原理 索引用来快速地寻找那些…
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学习分布式第一天（分布式系统原理和概念）

学习分布式第一天（分布式系统原理和概念）

目录 分布式系统原理和概念 1.分布式系统&#xff1a; 单体架构&#xff1a; 垂直架构&#xff1a; 分布式架构&#xff1a; 2.分布式计算&#xff1a; 3.CAP 原理&#xff1a; 4.BASE 理论&#xff1a; 5.Paxos 算法&#xff1a; 6.Raft 算法&#xff1a; 分布式系统原…
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【Transformer系列】深入浅出理解Transformer网络模型（综合篇）

【Transformer系列】深入浅出理解Transformer网络模型（综合篇）

一、参考资料 The Illustrated Transformer 图解Transformer&#xff08;完整版&#xff09; Attention Is All You Need: The Core Idea of the Transformer transformer 总结(超详细-初版) Transformer各层网络结构详解&#xff01;面试必备&#xff01;(附代码实现) 大语言…
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zemax球差与消球差

zemax球差与消球差

基础设置&#xff1a; 效果&#xff1a; 光线光扇图&#xff1a; 可见存在球差&#xff08;具体分析看我的另一篇文章&#xff0c;专门介绍光线光扇图&#xff09; 弥散的像&#xff1a; 定量计算赛德尔像差系数&#xff1a; 矫正&#xff1a; 凹凸透镜补偿法、非球面校正球差…
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线上论坛之单元测试

线上论坛之单元测试

对线上论坛进行单元测试的测试报告 源码地址&#xff1a;https://gitee.com/coisini-thirty-three/forum 一、用户部分&#xff08;UserServiceImplTest&#xff09; 1.创建普通用户 测试名称 createNormalUser() 测试源码 Test void createNormalUser() { // 构造用户 User …
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Linux 系统目录结构 终端

Linux 系统目录结构 终端

系统目录结构 Linux 或 Unix 操作系统中&#xff0c;所有文件和目录呈一个以根节点为始的倒置的树状结构。文件系统的最顶层是根目录&#xff0c;用 / 来表示根目录。在根目录之下的既可以是目录&#xff0c;也可以是文件&#xff0c;而每一个目录中又可以包含子目录文件。如此…
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什么是函数式编程（functional programming）？

什么是函数式编程（functional programming）？

聚沙成塔每天进步一点点 ⭐ 专栏简介⭐ 函数式编程⭐ 核心概念⭐ 函数式编程示例⭐ 写在最后 ⭐ 专栏简介 前端入门之旅&#xff1a;探索Web开发的奇妙世界 欢迎来到前端入门之旅&#xff01;感兴趣的可以订阅本专栏哦&#xff01;这个专栏是为那些对Web开发感兴趣、刚刚踏入前…
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解决WSL2占用内存过多问题（Docker on WSL2: VmmemWSL）

解决WSL2占用内存过多问题（Docker on WSL2: VmmemWSL）

解决WSL2占用内存过多问题&#xff08;Docker on WSL2: VmmemWSL&#xff09; 一、问题描述二、问题解决2.1 创建.wslconfig文件2.2 重启wsl2 一、问题描述 安装完WSL2后&#xff0c;又安装了Docker&#xff0c;使用了一段时间&#xff0c;发现电脑变卡&#xff0c;进一步查看…
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voliate实战：voliate可见性验证有序性非原子性验证

voliate实战：voliate可见性验证有序性非原子性验证

一、可见性验证 下面的程序验证了voliate的可见性。 public class VolatileVisibilityTest {private static volatile boolean inintFlag false;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {System.out.println("waiti…
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Springboot-mybatis创建项目报错day01

Springboot-mybatis创建项目报错day01

problem01 出现springboot引入mbatis-plus依赖单元测试时出现 Error:(3, 44) java: 程序包com.baomidou.mybatisplus.core.mapper不存在。 Error querying database. Cause: org.springframework.jdbc.CannotGetJdbcConnectionException:异常。 solution 点击右边侧栏Maven的Ge…
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在visual studio里安装Python并创建python工程

在visual studio里安装Python并创建python工程

在2009年&#xff0c;云计算开始发力&#xff0c;Python、R、Go这些天然处理批量计算的语言也迅猛发展。微软在2010年&#xff0c;把Python当成一个语言包插件&#xff0c;集成到了visual studio 2010里。在"云优先&#xff0c;移动优先"的战略下&#xff0c;于2015年…
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