التعقيد الحسابي للعمليات الرياضية

تسرد الجداول التالية التعقيد الحسابي لخوارزميات مختلفة للعمليات الرياضية الشائعة .
هنا، تشير التعقيدية إلى التعقيد الزمني لإجراء العمليات الحسابية على آلة تورينج متعددة الأشرطة . [ 1 ] انظر إلى ترميز Big O للحصول على شرح للترميز المستخدم.
ملاحظة: نظراً لتنوع خوارزميات الضرب،يمثل ما يلي مدى تعقيد خوارزمية الضرب المختارة.
الدوال الحسابية
يسرد هذا الجدول مدى تعقيد العمليات الحسابية على الأعداد الصحيحة.
| عملية | مدخل | الناتج | الخوارزمية | تعقيد |
|---|---|---|---|---|
| إضافة | اثنينأرقام مكونة من خانات | واحدرقم مكون من خانات | إضافة كتاب مدرسي مع إمكانية الحمل | |
| الطرح | اثنينأرقام مكونة من خانات | واحدرقم مكون من خانات | طرح الكتب المدرسية باستخدام الاستلاف | |
| الضرب | اثنينأرقام مكونة من خانات | واحدرقم مكون من خانات | كتاب المدرسة عن الضرب الطويل | |
| خوارزمية كاراتسوبا | ||||
| عملية ضرب توم-كوك ثلاثية الاتجاهات | ||||
| الضرب بطريقة توم-كوك | ||||
| Toom–Cook متعدد المستويات (Knuth 4.3.3-T) [ 2 ] | ||||
| خوارزمية شونهيج-ستراسن | ||||
| خوارزمية هارفي هوفن [ 3 ] [ 4 ] | ||||
| قسم | اثنينأرقام مكونة من خانات | واحدرقم مكون من خانات | القسمة المطولة في الكتب المدرسية | |
| تقسيم بورنيكل - زيغلر بتقسيم الفرق إلى 5 | ||||
| تقسيم نيوتن-رافسون | ||||
| الجذر التربيعي | واحدرقم مكون من خانات | واحدرقم مكون من خانات | طريقة نيوتن | |
| الأس المعياري | اثنينالأعداد الصحيحة المكونة من خانة واحدة والأس ذو البت | واحدعدد صحيح مكون من خانات | الضرب والاختزال المتكرر | |
| الأسس بالتربيع | ||||
| الأسس مع اختزال مونتغمري |
في نماذج حسابية أقوى، وتحديداً آلة المؤشر وبالتالي أيضاً آلة الوصول العشوائي ذات التكلفة الموحدة، من الممكن ضرب عددين من n بت في وقت O ( n ). [ 6 ]
الدوال الجبرية
هنا نتناول العمليات على كثيرات الحدود، حيث يرمز n إلى درجتها؛ أما بالنسبة للمعاملات، فنستخدم نموذج التكلفة الموحدة ، متجاهلين عدد البتات في العدد. عمليًا، يعني هذا أننا نفترض أنها أعداد صحيحة على مستوى الآلة. في هذا القسميشير إلى الوقت اللازم لضرب كثيرتي حدود من الدرجة على الأكثر[ 7 ] : 242
| عملية | مدخل | الناتج | الخوارزمية | تعقيد |
|---|---|---|---|---|
| التقييم متعدد الحدود | كثير حدود واحد من الدرجةبمعاملات صحيحة | رقم واحد | التقييم المباشر | |
| طريقة هورنر | ||||
| التقييم متعدد النقاط متعدد الحدود | كثير حدود واحد من الدرجة أقل منبمعاملات صحيحة والأرقام كنقاط تقييم | أرقام | التقييم المباشر | |
| التقييم السريع متعدد النقاط [ 7 ] : 295 | ||||
| القاسم المشترك الأكبر لكثير الحدود (علىأو) | كثيرتا حدود من الدرجةبمعاملات صحيحة | كثير حدود واحد من الدرجة على الأكثر | خوارزمية إقليدية | |
| خوارزمية إقليدية سريعة [ 7 ] : 318 (ليمر [ 7 ] : 324 ) |
وظائف خاصة
تم تقديم العديد من الطرق الواردة في هذا القسم في كتاب بورواين وبورواين. [ 8 ]
الدوال الأولية
تُبنى الدوال الأولية من خلال تركيب العمليات الحسابية ، والدالة الأسية (), اللوغاريتم الطبيعي (), الدوال المثلثية (، ومعكوساتها. تعقيد الدالة الأولية مكافئ لتعقيد معكوسها، لأن جميع الدوال الأولية تحليلية ، وبالتالي قابلة للعكس باستخدام طريقة نيوتن. على وجه الخصوص، إذا كان أي منهماأوفي المجال المركب، يمكن حسابها ببعض التعقيد، ثم يكون هذا التعقيد قابلاً للتحقيق لجميع الدوال الأولية الأخرى.
فيما يلي، الحجميشير إلى عدد أرقام الدقة التي سيتم تقييم الدالة عندها.
| الخوارزمية | قابلية التطبيق | تعقيد |
|---|---|---|
| متسلسلة تايلور ؛ اختزال الوسائط المتكررة (مثلاً) والجمع المباشر | ||
| متسلسلة تايلور؛ تسريع قائم على تحويل فورييه السريع | ||
| متسلسلة تايلور؛ خوارزمية تقسيم ثنائي + خوارزمية انفجار البتات [ 9 ] | ||
| التكرار الحسابي الهندسي [ 10 ] |
من غير المعروف ما إذا كانيمثل هذا التعقيد الأمثل للدوال الأولية. وأفضل حد أدنى معروف هو الحد التافه. .
الدوال غير الأولية
| وظيفة | مدخل | الخوارزمية | تعقيد |
|---|---|---|---|
| دالة غاما | عدد صحيح | تقريب متسلسلة لدالة غاما غير الكاملة | |
| عدد نسبي ثابت | متسلسلة فرط هندسية | ||
| ، لعدد صحيح. | التكرار الحسابي الهندسي | ||
| دالة فوق هندسية | رقم مكون من خانات | (كما هو موضح في كتاب بورواين وبورواين) | |
| عدد نسبي ثابت | متسلسلة فرط هندسية |
الثوابت الرياضية
يوضح هذا الجدول مدى تعقيد حساب التقريبات للثوابت المعطاة لـالأرقام الصحيحة.
| ثابت | الخوارزمية | تعقيد |
|---|---|---|
| النسبة الذهبية ، | طريقة نيوتن | |
| الجذر التربيعي للعدد 2 ، | طريقة نيوتن | |
| عدد أويلر ، | التقسيم الثنائي لسلسلة تايلور للدالة الأسية | |
| انعكاس نيوتن للوغاريتم الطبيعي | ||
| باي ، | التقسيم الثنائي لسلسلة arctan في صيغة ماشين | [ 11 ] |
| خوارزمية جاوس-ليجندر | [ 11 ] | |
| ثابت أويلر ، | طريقة سويني (التقريب بدلالة التكامل الأسي ) |
نظرية الأعداد
تُدرس الخوارزميات الخاصة بالحسابات النظرية للأعداد في نظرية الأعداد الحاسوبية .
جبر المصفوفات
تفترض أرقام التعقيد التالية أن العمليات الحسابية مع العناصر الفردية لها تعقيد O (1)، كما هو الحال مع العمليات الحسابية ذات الدقة الثابتة أو العمليات على حقل محدود .
| عملية | مدخل | الناتج | الخوارزمية | تعقيد |
|---|---|---|---|---|
| ضرب المصفوفات | اثنينالمصفوفات | واحدمصفوفة | ضرب المصفوفات في الكتب المدرسية | |
| خوارزمية ستراسن | ||||
| خوارزمية كوبرسميث-وينوغراد ( الخوارزمية المجرة ) | ||||
| خوارزميات محسّنة شبيهة بخوارزمية CW [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] ( خوارزميات مجرية ) | ||||
| واحدمصفوفة، وواحدمصفوفة | واحدمصفوفة | ضرب المصفوفات في الكتب المدرسية | ||
| واحدمصفوفة، وواحدمصفوفة، لبعض | واحدمصفوفة | الخوارزميات الواردة في [ 28 ] | ، حيث الحدود العليا علىتم تقديمها في [ 28 ] | |
| قلب المصفوفة | واحدمصفوفة | واحدمصفوفة | حذف جاوس-جوردان | |
| خوارزمية ستراسن | ||||
| خوارزمية كوبرسميث-وينوغراد | ||||
| خوارزميات سريعة لضرب المصفوفات | ل[ 29 ] ، القسم 11، الصفحات 413-414. | |||
| تحليل القيم المفردة | واحدمصفوفة | واحدمصفوفة، واحدمصفوفة، وواحدمصفوفة | خوارزمية ثنائية القطر و QR | () |
| واحدمصفوفة، واحدمصفوفة، وواحدمصفوفة | خوارزمية ثنائية القطر و QR | () | ||
| تحليل QR | واحدمصفوفة | واحدمصفوفة، وواحدمصفوفة | الخوارزميات في [ 30 ] عن طريق ضرب المصفوفات السريع | () |
| المحدد | واحدمصفوفة | رقم واحد | توسيع لابلاس | |
| خوارزمية خالية من القسمة [ 31 ] | ||||
| تحليل LU | ||||
| خوارزمية بارايس | ||||
| الضرب السريع للمصفوفات [ 33 ] | ||||
| الاستبدال الخلفي | المصفوفة المثلثية | حلول | الاستبدال العكسي [ 34 ] | |
| متعددة الحدود المميزة | واحدمصفوفة | درجة واحدة-متعدد الحدود | خوارزمية فادييف-ليفرير | |
| خوارزمية سامويلسون-بيركويتز | (عامل ثابت أصغر) | |||
| خوارزمية تحضير-ساروات [ 35 ] [ 36 ] | ||||
| عن طريق ضرب المصفوفات السريع [ 37 ] | ||||
في عام 2005، أظهر هنري كوهن وروبرت كلاينبرغ وبالاز سيجيدي وكريس أومانز أن أيًا من التخمينين المختلفين سيؤدي إلى أن أس ضرب المصفوفات هو 2. [ 38 ]
التحويلات
تُستخدم الخوارزميات لحساب تحويلات الدوال (وخاصة التحويلات التكاملية ) على نطاق واسع في جميع مجالات الرياضيات، وخاصة التحليل ومعالجة الإشارات .
| عملية | مدخل | الناتج | الخوارزمية | تعقيد |
|---|---|---|---|---|
| تحويل فورييه المنفصل | سلسلة بيانات محدودة بحجم | مجموعة الأعداد المركبة | كتاب مدرسي | |
| تحويل فورييه السريع |
ملحوظات
- ↑ هذا الشكل من الزمن شبه الأسي صالح لجميعويمكن التعبير عن شكل أكثر دقة للتعقيد على النحو التالي:
مراجع
- 1 2 شونهاج، أ؛ جروتفيلد، AFW. فيتر، إي. (1994). الخوارزميات السريعة — تنفيذ آلة تورينج متعددة الأشرطة . BI Wissenschafts-Verlag. رقم ISBN 978-3-411-16891-0. OCLC 897602049 .
- ↑ كنوت 1997
- ↑ هارفي، د.؛ فان دير هوفن، ج. (2021). "ضرب الأعداد الصحيحة في زمن O(n log n)" (ملف PDF) . حوليات الرياضيات . 193 (2): 563-617 . doi : 10.4007/annals.2021.193.2.4 . S2CID 109934776 .
- ↑ كلاريش، إريكا (ديسمبر 2019). "الضرب يصل إلى الحد الأقصى للسرعة". مجلة الاتصالات ACM . 63 (1): 11-13 . doi : 10.1145/3371387 . S2CID 209450552 .
- ^ بورنيكل، كريستوف. زيغلر، يواكيم (1998). قسم العودية السريعة . مؤسسة دراسات معاهد ماكس بلانك للمعلوماتية. ساربروكن: MPI Informatik Bibliothek & Dokumentation. او سي ال سي 246319574 . MPII-98-1-022.
- ^ شونهاج ، أرنولد (1980). “آلات تعديل التخزين”. مجلة SIAM للحوسبة . 9 (3): 490-508 . دوى : 10.1137 / 0209036 .
- 1 2 3 4 فون زور جاثين، ج.؛ غيرهارد، J. (2013). جبر الكمبيوتر الحديث (الطبعة الثالثة ). مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 9781139856065.
- ↑ بورواين، ج.؛ بورواين، ب. (1987). باي والمتوسط الحسابي: دراسة في نظرية الأعداد التحليلية والتعقيد الحسابي . وايلي. ISBN 978-0-471-83138-9. OCLC 755165897 .
- ↑ تشودنوفسكي، ديفيد؛ تشودنوفسكي، غريغوري (1988). "التقريبات والضرب المركب وفقًا لرامانوجان". رامانوجان مُعاد النظر فيه: وقائع مؤتمر الذكرى المئوية . دار النشر الأكاديمية. ص 375-472 . ISBN 978-0-01-205856-5.
- ↑ برنت، ريتشارد ب. (2014) [1975]. "طرق إيجاد الأصفار متعددة الدقة وتعقيد تقييم الدوال الأولية" . في تراوب، ج. ف. (محرر). التعقيد الحسابي التحليلي . إلسيفير. ص 151-176 . arXiv : 1004.3412 . ISBN 978-1-4832-5789-1.
- 1 2 ريتشارد ب. برنت (2020)، الأخوان بورواين، باي والاجتماع العام السنوي، وقائع سبرينغر في الرياضيات والإحصاء، المجلد 313، arXiv : 1802.07558 ، doi : 10.1007/978-3-030-36568-4 ، ISBN 978-3-030-36567-7، S2CID 214742997
- ↑ سورنسون، ج. (1994). "خوارزميتان سريعتان لإيجاد القاسم المشترك الأكبر". مجلة الخوارزميات . 16 (1): 110-144 . doi : 10.1006/jagm.1994.1006 .
- ↑ كراندال، ر.؛ بوميرانس، س. (2005). "الخوارزمية 9.4.7 (ستيل-زيمرمان - القاسم المشترك الأكبر التكراري الثنائي)" . الأعداد الأولية - منظور حسابي ( الطبعة الثانية). سبرينغر. ص 471-473 . ISBN 978-0-387-28979-3.
- ↑ مولر ن (2008). "حول خوارزمية شونهاج وحساب القاسم المشترك الأكبر للأعداد الصحيحة شبه التربيعية" (ملف PDF) . رياضيات الحساب . 77 (261): 589-607 . Bibcode : 2008MaCom..77..589M . doi : 10.1090/S0025-5718-07-02017-0 .
- ↑ بيرنشتاين، دي جيه "خوارزميات أسرع لإيجاد الأعداد الصحيحة غير المربعة بتردد أسوأ الحالات" .
- ↑ برنت، ريتشارد ب.؛ زيمرمان، بول (2010). "أنخوارزمية رمز جاكوبي . ندوة نظرية الأعداد الخوارزمية الدولية . سبرينغر. الصفحات 83-95 . arXiv : 1004.2091 . doi : 10.1007/978-3-642-14518-6_10 . ISBN 978-3-642-14518-6. S2CID 7632655 .
- ↑ بورواين، ب. (1985). "حول تعقيد حساب المضروب". مجلة الخوارزميات . 6 (3): 376-380 . doi : 10.1016/0196-6774(85)90006-9 .
- ↑ لينسترا الابن، إتش دبليو ؛ بوميرانس، كارل (2019). "اختبار الأعداد الأولية باستخدام الدورات الغاوسية" (ملف PDF) . مجلة الجمعية الرياضية الأوروبية . 21 (4): 1229-1269 . doi : 10.4171/JEMS/861 . hdl : 21.11116/0000-0005-717D-0 .
- ↑ تاو، تيرينس (2010). "1.11 اختبار أولية AKS" . إبسيلون من المساحة، الجزء الثاني: صفحات من السنة الثالثة لمدونة رياضية . دراسات عليا في الرياضيات. المجلد 117. الجمعية الرياضية الأمريكية. الصفحات 82-86 . doi : 10.1090/gsm/117 . ISBN 978-0-8218-5280-4MR 2780010
- ↑ مورين، ف. (2007). "تطبيق النسخة السريعة تقاربياً من خوارزمية إثبات أولية المنحنى الإهليلجي". رياضيات الحساب . 76 (257): 493-505 . arXiv : math/0502097 . Bibcode : 2007MaCom..76..493M . doi : 10.1090/ S0025-5718-06-01890-4 . MR 2261033. S2CID 133193 .
- ↑ بوميرانس، كارل ؛ سيلفريدج، جون ل .؛ واغستاف الابن، صموئيل س. (يوليو 1980). "الأعداد الأولية الزائفة حتى 25 × 10⁹ " ( ملف PDF) . رياضيات الحساب . 35 (151): 1003-1026 . doi : 10.1090/S0025-5718-1980-0572872-7 . JSTOR 2006210 .
- ↑ بايلي، روبرت؛ واغستاف الابن، صموئيل س. ( أكتوبر 1980). "أعداد لوكاس الأولية الزائفة" (ملف PDF) . رياضيات الحساب . 35 (152): 1391-1417 . doi : 10.1090/S0025-5718-1980-0583518-6 . JSTOR 2006406. MR 0583518 .
- 1 2 مونير، لويس (1980). "تقييم ومقارنة خوارزميتين فعالتين لاختبار أولية الأعداد الاحتمالية" . علوم الحاسوب النظرية . 12 (1): 97-108 . doi : 10.1016/0304-3975(80)90007-9 . MR 0582244 .
- ↑ ألمان، جوش؛ ويليامز، فيرجينيا فاسيليفسكا (2020)، "طريقة ليزر محسّنة وضرب مصفوفات أسرع"، الندوة السنوية الثانية والثلاثون لجمعية ACM-SIAM حول الخوارزميات المنفصلة (SODA 2021) ، الصفحات 522-539 ، arXiv : 2010.05846 ، doi : 10.1137/1.9781611976465.32 ، ISBN 978-1-61197-646-5، S2CID 222290442
- ↑ ديفي، أ.م.؛ ستوثرز، أ.ج. (2013)، "حد مُحسَّن لتعقيد ضرب المصفوفات"، وقائع الجمعية الملكية في إدنبرة ، 143أ (2): 351-370 ، doi : 10.1017/S0308210511001648 ، S2CID 113401430
- ↑ فاسيلفسكا ويليامز، فيرجينيا (2014)، كسر حاجز كوبرسميث-وينوغراد: ضرب المصفوفات في زمن O(n 2.373 )
- ↑ لو غال، فرانسوا (2014)، "قوى الموترات وضرب المصفوفات السريع"، وقائع الندوة الدولية التاسعة والثلاثين حول الحساب الرمزي والجبري - ISSAC '14 ، ص 23، arXiv : 1401.7714 ، Bibcode : 2014arXiv1401.7714L ، doi : 10.1145/2608628.2627493 ، ISBN 9781450325011، S2CID 353236
- 1 2 لو غال، فرانسوا؛ أوروتيا، فلورين (2018). "تحسين ضرب المصفوفات المستطيلة باستخدام قوى موتر كوبرسميث-وينوغراد". في تشوماج، أرتور (محرر). وقائع الندوة السنوية التاسعة والعشرين لجمعية ACM-SIAM حول الخوارزميات المنفصلة . جمعية الرياضيات الصناعية والتطبيقية. doi : 10.1137/1.9781611975031.67 . ISBN 978-1-61197-503-1. S2CID 33396059 .
- ↑ بان، ف. (1984). "كيف يمكننا تسريع عملية ضرب المصفوفات؟". مجلة SIAM Review . 26 (3): 393-415 . doi : 10.1137/1026076 .
- ↑ نايت، فيليب أ. (مايو 1995). "الضرب السريع للمصفوفات المستطيلة وتحليل QR" . الجبر الخطي وتطبيقاته . 221 : 69-81 . doi : 10.1016/0024-3795(93)00230-w . ISSN 0024-3795 .
- ↑ روت، ج. (2001). "خوارزميات خالية من القسمة للمحدد ومحدد بفاف: مناهج جبرية وتوافقية" (ملف PDF) . الرياضيات المتقطعة الحاسوبية . سبرينغر. ص 119-135 . ISBN 3-540-45506-X.
- ↑ كالتوفن، إريك؛ فيلار، جيل (2005). "حول تعقيد حساب المحددات" . التعقيد الحسابي . 13 ( 3-4 ): 91-130 . doi : 10.1007/s00037-004-0185-3 .
- ↑ بانش، جيمس ر.؛ هوبكروفت، جون إي. (1974). "تحليل المصفوفة المثلثية وعكسها عن طريق الضرب السريع للمصفوفات". رياضيات الحساب . 28 (125): 231-236 . doi : 10.1090/S0025-5718-1974-0331751-8 .
- ^ فرالي ، جي بي. بوريجارد، را (1987). الجبر الخطي ( الطبعة الثالثة). أديسون ويسلي. ص. 95. ردمك 978-0-201-15459-7.
- ↑ بريباراتا، إف بي؛ ساروات، دي في (أبريل 1978). "حد معالج متوازي مُحسَّن في عكس المصفوفة السريع" . رسائل معالجة المعلومات . 7 (3): 148-150 . doi : 10.1016/0020-0190(78)90079-0 .
- ↑ جاليل، تسفي؛ بان، فيكتور (16 يناير 1989). "التقييم المتوازي لمحدد ومعكوس المصفوفة" . رسائل معالجة المعلومات . 30 (1): 148-150 . doi : 10.1016/0020-0190(89)90173-7 .، حيثيتم تقليص المدة
- ↑ نيجر ، فينسنت؛ بيرنيه، كليمنت (ديسمبر 2021). "الحساب الحتمي لكثير الحدود المميز في زمن ضرب المصفوفات" . مجلة التعقيد . 67. arXiv : 2010.04662 . doi : 10.1016/j.jco.2021.101572 .
- ↑ كوهن، هنري؛ كلاينبرغ، روبرت؛ سيجيدي، بالاز؛ أومانس، كريس (2005). "خوارزميات نظرية الزمر لضرب المصفوفات". وقائع الندوة السنوية السادسة والأربعين حول أسس علوم الحاسوب . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. ص 379-388 . arXiv : math.GR/0511460 . doi : 10.1109/SFCS.2005.39 . ISBN 0-7695-2468-0. S2CID 6429088 .
للمزيد من القراءة
- برنت، ريتشارد ب .؛ زيمرمان، بول (2010). الحساب الحاسوبي الحديث . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-19469-3.
- كنوت، دونالد إرفين (1997). الخوارزميات شبه العددية . فن برمجة الحاسوب . المجلد 2 ( الطبعة الثالثة). أديسون-ويسلي. ISBN 978-0-201-89684-8.
- خوارزميات الحساب الحاسوبي
- نظرية التعقيد الحسابي
- قوائم متعلقة بالرياضيات
- خوارزميات نظرية الأعداد
- مشاكل لم تُحل في علوم الحاسوب
