Быстрое возведение матрицы в степень

На данной странице калькулятор поможет возвести матрицу в степень онлайн с подробным решением. Для расчета задайте целые или десятичные числа.

Матрицу в степень

Теория

Возвести в степень можно только квадратную матрицу 2×2, 3×3 и т.д.

Чтобы возвести матрицу A в квадрат, нужно это матрицу умножить саму на себя.

Пример

Возвести матрицу А в квадрат.

Умножим матрицу A саму на себя.

Чтобы возвести матрицу A в куб, нужно это матрицу умножить саму на себя три раза.

A 3 = A · A · A = A 2 · A.

Пример

Возвести матрицу А в куб.

Умножим матрицу A саму на себя и найдем матрицу во второй степени.

Полученную матрицу умножим на исходную A.

Алгоритмы быстрого возведения в степень (дихотомический алгоритм возведения в степень, бинарный алгоритм возведения в степень) — алгоритмы, предназначенные для возведения числа x <displaystyle x> в натуральную степень n <displaystyle n> за меньшее число умножений, чем это требуется в определении степени [1] . Алгоритмы основаны на том, что для возведения числа x <displaystyle x> в степень n <displaystyle n> не обязательно перемножать число x <displaystyle x> на само себя n <displaystyle n> раз, а можно перемножать уже вычисленные степени. В частности, если n = 2 k <displaystyle n=2^> степень двойки, то для возведения в степень n <displaystyle n> достаточно число возвести в квадрат k <displaystyle k> раз, затратив при этом k <displaystyle k> умножений вместо 2 k <displaystyle 2^> . Например, чтобы возвести число x <displaystyle x> в восьмую степень, вместо выполнения семи умножений x ⋅ x ⋅ x ⋅ x ⋅ x ⋅ x ⋅ x ⋅ x <displaystyle xcdot xcdot xcdot xcdot xcdot xcdot xcdot x> можно возвести число в квадрат ( x 2 = x ⋅ x <displaystyle x^<2>=xcdot x> ), потом результат возвести ещё раз в квадрат и получить четвёртую степень ( x 4 = x 2 ⋅ x 2 <displaystyle x^<4>=x^<2>cdot x^<2>> ), и наконец результат ещё раз возвести в квадрат и получить ответ ( x 8 = x 4 ⋅ x 4 <displaystyle x^<8>=x^<4>cdot x^<4>> ).

Кроме того, некоторые алгоритмы для дальнейшей оптимизации используют тот факт, что операция возведения в квадрат быстрее операции умножения за счёт того, что при возведении в квадрат цифры в сомножителе повторяются [2] .

Бинарный алгоритм возведения в степень был впервые предложен в XV веке персидским математиком Аль-Каши [3] .

Данные алгоритмы не всегда оптимальны. Например, при использовании схемы «слева направо» быстрое возведение в степень n = 15 потребует выполнения трёх операций умножения и трёх операций возведения в квадрат, хотя возведение в 15-ю степень можно выполнить и за 3 умножения и 2 возведения в квадрат [4] .

Содержание

Описание [ править | править код ]

Основным алгоритмом быстрого возведения в степень является схема «слева направо». Она получила своё название вследствие того, что биты показателя степени просматриваются слева направо, то есть от старшего к младшему [5] .

n = ( m k m k − 1 . . . m 1 m 0 ¯ ) 2 <displaystyle n=(<overline m_. m_<1>m_<0>>>)_<2>> — двоичное представление степени n, то есть, n = m k ⋅ 2 k + m k − 1 ⋅ 2 k − 1 + ⋯ + m 1 ⋅ 2 + m 0 , <displaystyle n=m_cdot 2^+m_cdot 2^+dots +m_<1>cdot 2+m_<0>,>

где m k = 1 , m i ∈ < 0 , 1 ><displaystyle m_=1,m_in <0,1>> . Тогда

x n = x ( ( … ( ( m k ⋅ 2 + m k − 1 ) ⋅ 2 + m k − 2 ) ⋅ 2 + … ) ⋅ 2 + m 1 ) ⋅ 2 + m 0 = ( ( … ( ( ( x m k ) 2 ⋅ x m k − 1 ) 2 … ) 2 ⋅ x m 1 ) 2 ⋅ x m 0 <displaystyle x^=x^<((dots ((m_cdot 2+m_)cdot 2+m_)cdot 2+dots )cdot 2+m_<1>)cdot 2+m_<0>>=((dots (((x^>)^<2>cdot x^>)^<2>dots )^<2>cdot x^<1>>)^<2>cdot x^<0>>> [5] .

Последовательность действий при использовании данной схемы можно описать так:

1. Представить показатель степени n в двоичном виде
2. Если m i <displaystyle m_>= 1, то текущий результат возводится в квадрат и затем умножается на x. Если m i <displaystyle m_>= 0, то текущий результат просто возводится в квадрат [6] . Индекс i изменяется от k-1 до 0 [7] .

Таким образом, алгоритм быстрого возведения в степень сводится к мультипликативному аналогу схемы Горнера [6] :

Обобщения [ править | править код ]

Пусть пара (S, *) — полугруппа, тогда мы можем назвать операцию * умножением и определить операцию возведения в натуральную степень:

1end>
ight.>"> a n = < a n = 1 a ∗ ( a n − 1 ) n >1 <displaystyle a^=left<<egina&n=1\a*left(a^
ight)&n>1end>
ight.> 1end>
ight."/>

Тогда для вычисления значений a n в любой полугруппе (в абелевой группе в частности) можно использовать алгоритмы быстрого возведения в степень [8] .

Примеры решения задач [ править | править код ]

Применяя алгоритм, вычислим 21 13 :

13 10 = 1101 2 <displaystyle 13_<10>=1101_<2>> m 3 = 1 , m 2 = 1 , m 1 = 0 , m 0 = 1 <displaystyle m_<3>=1,m_<2>=1,m_<1>=0,m_<0>=1> 21 13 = ( ( ( 1 ⋅ 21 m 3 ) 2 ⋅ 21 m 2 ) 2 ⋅ 21 m 1 ) 2 ⋅ 21 m 0 = ( ( ( 1 ⋅ 21 1 ) 2 ⋅ 21 1 ) 2 ⋅ 21 0 ) 2 ⋅ 21 1 = ( ( ( 1 ⋅ 21 ) 2 ⋅ 21 ) 2 ⋅ 1 ) 2 ⋅ 21 = ( ( 21 2 ⋅ 21 ) 2 ) 2 ⋅ 21 = ( ( 441 ⋅ 21 ) 2 ) 2 ⋅ 21 = 85766121 2 ⋅ 21 = 154472377739119461 <displaystyle <egin21^<13>&=(((1cdot 21^<3>>)^<2>cdot 21^<2>>)^<2>cdot 21^<1>>)^<2>cdot 21^<0>>\&=(((1cdot 21^<1>)^<2>cdot 21^<1>)^<2>cdot 21^<0>)^<2>cdot 21^<1>\&=(((1cdot 21)^<2>cdot 21)^<2>cdot 1)^<2>cdot 21\&=((21^<2>cdot 21)^<2>)^<2>cdot 21\&=((441cdot 21)^<2>)^<2>cdot 21\&=85766121^<2>cdot 21\&=154472377739119461end>>

Схема «справа налево» [ править | править код ]

В данной схеме, в отличие от схемы «слева направо», биты показателя степени просматриваются от младшего к старшему [5] .

Последовательность действий при реализации данного алгоритма.

1. Представить показатель степени n в двоичном виде.
2. Положить вспомогательную переменную z равной числу x.

1. Если m i = 1 <displaystyle m_=1>, то текущий результат умножается на z, а само число z возводится в квадрат. Если m i <displaystyle m_>= 0, то требуется только возвести z в квадрат [6] . При этом индекс i, в отличие от схемы слева направо, изменяется от 0 до k-1 включительно [7] .

Данная схема содержит столько же умножений и возведений в квадрат, сколько и схема «слева направо». Однако несмотря на это, схема «слева направо» выгоднее схемы «справа налево», особенно в случае, если показатель степени содержит много единиц. Дело в том, что в схеме слева направо в операции result = result · x содержится постоянный множитель x. А для небольших x (что нередко бывает в тестах простоты) умножение будет быстрым. К примеру, для x = 2 мы можем операцию умножения заменить операцией сложения [7] .

Математическое обоснование работы данного алгоритма можно представить следующей формулой:

d = a n = <displaystyle d=a^=> = a ∑ i = 0 k m i ⋅ 2 i = <displaystyle =a^<sum _^m_cdot 2^>=> = a m 0 ⋅ a 2 m 1 ⋅ a 2 2 ∗ m 2 ⋅ . . . ⋅ a 2 k ∗ m k = <displaystyle =a^<0>>cdot a^<2m_<1>>cdot a^<2^<2>*m_<2>>cdot . cdot a^<2^*m_>=> = a m 0 ⋅ ( a 2 ) m 1 ⋅ ( a 2 2 ) m 2 ⋅ . . . ⋅ ( a 2 k ) m k = <displaystyle =a^<0>>cdot (a^<2>)^<1>>cdot (a^<2^<2>>)^<2>>cdot . cdot (a^<2^>)^>=> = ∏ i = 0 k ( a 2 i ) m i <displaystyle =prod _^<(a^<2^>)^>>> [9] .

Пример. Посчитаем с помощью схемы возведения в степень «справа налево» значение 21 13 .

i		1	2	3
a 2 i <displaystyle a^<2^>>	21	441	194 481	37 822 859 361
m 1 <displaystyle m_<1>>	1		1	1

1. 21 · 194 481 = 4084 101
2. 4084 101 · 37 822 859 361 = 154 472 377 739 119 461

Вычислительная сложность [ править | править код ]

И для схемы «слева направо», и для схемы «справа налево» количество операций возведения в квадрат одинаково и равно k, где k — длина показателя степени n в битах, k ∼ ln ⁡ n <displaystyle ksim ln > . Количество же требуемых операций умножения равно весу Хэмминга, то есть количеству ненулевых элементов в двоичной записи числа n. В среднем требуется 1 2 ⋅ ln ⁡ n <displaystyle <frac <1><2>>cdot ln > операций умножения [6] .

Например, для возведения числа в сотую степень этим алгоритмом потребуется всего лишь 8 операций умножения и возведения в квадрат [5] .

Для сравнения, при стандартном способе возведения в степень требуется n − 1 <displaystyle n-1> операция умножения, то есть количество операций может быть оценено как O ( n ) <displaystyle O(n)> [10] .

Оптимизация алгоритма [ править | править код ]

Как правило, операция возведения в квадрат выполняется быстрее операции умножения. Метод окон позволяет сократить количество операций умножения и, следовательно, сделать алгоритм возведения в степень более оптимальным [8] .

Окно фактически представляет собой основание системы счисления [7] . Пусть w — ширина окна, то есть за один раз учитывается w знаков показателя.

Рассмотрим метод окна.

1. Для i = 0 , 2 w − 1 ¯ <displaystyle i=<overline <0,2^-1>>>заранее вычисляется x i
2. Показатель степени представляется в следующем виде: n = ∑ i = 0 k / w n i ⋅ 2 i ⋅ w <displaystyle n=sum _^cdot 2^>>, где n i ∈ ( 0 , 1 , . . . , 2 w − 1 ) <displaystyle n_in <(0,1. 2^-1)>>
3. Пусть y — переменная, в которой будет вычислен конечный результат. Положим y = x n k / w <displaystyle y=x^>>.
4. Для всех i = k/w — 1, k/w — 2, …, 0 выполнить следующие действия:

1. y = y 2 w <displaystyle y=y^<2^>>
2. y = y ⋅ x n i <displaystyle y=ycdot x^>>[8] .

В данном алгоритме требуется k возведений в квадрат, но число умножений в среднем сокращается до k/w [8] .

Ещё более эффективным является метод скользящего окна. Он заключается в том, что ширина окна во время выполнения процесса может изменяться:

1. Показатель степени представляется в виде n = ∑ i = 0 l n i ⋅ 2 e i <displaystyle n=sum _^cdot 2^>>>, где n i ∈ ( 1 , 3 , 5 , . . . , 2 w − 1 ) <displaystyle n_in <(1,3,5. 2^-1)>>, а e_i+1 — e_i ≥ w.
2. Для i = ( 1 , 3 , 5 , . . . , 2 w − 1 ) <displaystyle i=(1,3,5. 2^-1)>вычисляется x i . Далее будем обозначать x i как x_i.
3. Пусть y — переменная, в которой будет вычислен конечный результат. Положим y = x n l <displaystyle y=x^>>.
4. Для всех i = l — 1, l — 2, …, 0 выполнить следующие действия:

1. Для всех j от 0 до e_i+1 — e_i — 1 y возвести в квадрат
2. j = m i <displaystyle j=m_>
3. y = y ⋅ x j <displaystyle y=ycdot x_>

Для всех j от 0 до e — 1 y возвести в квадрат [8] .

Количество операций возведения в степень в данном алгоритме такое же, как и в методе окна, а вот количество операций умножений сократилось до l, то есть до k w + 1 <displaystyle <frac >> в среднем [8] .

Для примера возведём методом скользящего окна число x в степень 215. Ширина окна w = 3.

1. 215 = 2 7 + 5 · 2 4 + 7
2. y = 1
3. y = y · x = x
4. y 3 раза возводится в квадрат, так как на данном шаге e₂ — e₁ −1 = 7 — 4 — 1 = 2, а отсчёт ведётся с нуля, то есть y = y 8 = x 8
5. y = y · x 5 = x 13
6. y 4 раза возводится в квадрат, так как на данном шаге e₁ — e −1 = 4 — 0 — 1 = 3, то есть y = y 16 = x 208
7. y = y · x 7 = x 215

Применение [ править | править код ]

Алгоритм быстрого возведения в степень получил широкое распространение в криптосистемах с открытым ключом. В частности, алгоритм применяется в протоколе RSA, схеме Эль-Гамаля и других криптографических алгоритмах [11] .

Пытаюсь применить быстрое возведение числа в степень на матрицу, работать работает, но считает не корректно. Код который получился:

Что получилось при выполнении этого:

Результат выполнения кода:

В чем моя ошибка и как это исправить ?

1 ответ 1

При возведении матрицы в нулевую степень нужно возвращать единичную матрицу, а не исходную (которая получается при возведении в 1-ю степень). Из-за этого у вас выходит в результате возведение в четвёртую степень, а не во вторую.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками python python-3.x или задайте свой вопрос.

Похожие

Для подписки на ленту скопируйте и вставьте эту ссылку в вашу программу для чтения RSS.

дизайн сайта / логотип © 2019 Stack Exchange Inc; пользовательское содержимое попадает под действие лицензии cc by-sa 4.0 с указанием ссылки на источник. rev 2019.11.15.35459