计算阶乘的另一些有趣的算法

gxqcn

转帖自：http://www.matrix67.com/blog/article.asp?id=442

    一个正整数n的阶乘就是前n个正整数的乘积，我们通常需要n-1次乘法操作来算出精确的值。不像等差数列求和、a的n次幂之类的东西，目前求阶乘还没有什么巨牛无比的高效算法，我们所能做的仅仅是做一些小的优化。

更少的乘法运算次数？
    在高精度运算中，乘法计算的速度远远慢于加减法，因此我们有必要减少乘法运算的次数。下面我将做一个非常简单的变换，使得计算阶乘只需要n/2次乘法。继续看下去之前，你能自己想到这个算法来吗？

    我们可以把一个数的阶乘转换为若干个平方差的积。例如，假如我想求9!，我可以把前9个正整数的乘积写成这个样子：
   1 * 2 * 3 * 4 * 5 * 6 * 7 * 8 * 9
= (5-4) * (5-3) * (5-2) * (5-1) * 5 * (5+1) * (5+2) * (5+3) * (5+4)
= (5-1) * (5+1) * (5-2) * (5+2) * (5-3) * (5+3) * (5-4) * (5+4) * 5
= (5^2 - 1^2) * (5^2 - 2^2) * (5^2 - 3^2) * (5^2 - 4^2) * 5
    注意到一个有趣的事实：上面的四个平方差算出来分别是24, 21, 16, 9，它们之间的差正好是连续的奇数（因为n^2等于前n个正奇数的和）。因此，我们可以用初始数(n/2)^2不断减去一个个的正奇数，求出所有n/2个平方差，再用n/2次乘法把它们乘起来。这种算法实现起来非常简单，并且（当n不大时）同样只需要单精度乘高精度，但需要的乘法次数大大减少了。假设我们已经有了一个高精度类，求n!只需要下面几句话：

1. long h=n/2, q=h*h;
   
2. long r = (n&1)==1 ? 2*q*n : 2*q;
   
3. f = LargeInteger.create(r);
   
4. for(int d=1; d<N-2; d+=2)
   
5.     f = f.multiply(q-=d);

复制代码

更少的总运算次数？
    尽量提取阶乘中的因子2，我们可以得到另一种阶乘运算的优化方法。这很可能是不需要分解质因数的阶乘算法中最快的一种。
    假如我们需要计算20!，我们可以把20拆成若干组正奇数的乘积：

  1 * 2 * 3 * 4 * 5 * 6 * 7 * 8 * 9 * 10 * 11 * 12 * 13 * 14 * 15 * 16 * 17 * 18 * 19 * 20
= 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 11 * 13 * 15 * 17 * 19 * 2 * 4 * 6 * 8 * 10 * 12 * 14 * 16 * 18 * 20
= 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 11 * 13 * 15 * 17 * 19 * 1 * 2 * 3 * 4 * 5 * 6 * 7 * 8 * 9 * 10 * 2^10
= 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 11 * 13 * 15 * 17 * 19 * 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 2 * 4 * 6 * 8 * 10 * 2^10
= 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 11 * 13 * 15 * 17 * 19 * 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 1 * 2 * 3 * 4 * 5 * 2^15
= 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 11 * 13 * 15 * 17 * 19 * 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 1 * 3 * 5 * 2 * 4 * 2^15
= 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 11 * 13 * 15 * 17 * 19 * 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 1 * 3 * 5 * 1 * 2 * 2^17
= 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 11 * 13 * 15 * 17 * 19 * 1 * 3 * 5 * 7 * 9 * 1 * 3 * 5 * 1 * 2^18

    只需要一次累乘就可以求到每一组奇数的乘积，最后再花费log(n)次乘法把它们全部乘起来。最后的那个2^18也可以二分计算出来。真正的代码还有很多细节上的优化，另外还借用了递归使得操作变得更加简便。你可以在本文最后附的那个链接里去找Split-Recursive算法。

还能再快一点么？
    继续扩展上面的算法，我们可以想到，如果把每个数的质因数都分解出来，并且统计每种质因子有多少个，我们就可以多次使用二分求幂，再把它们的结果乘起来。注意这里并不是真的要老老实实地去分解每个数的质因子。对于每个质数x，我们可以很快算出前n个正整数一共包含有多少个质因子x（记得如何求n!末尾有多少个0么）。这种算法的效率相当高，已经能够满足大多数人的需要了。

另一种诡异的阶乘算法：
    这个算法可能是所有有名字的阶乘算法中最慢的一个了（Additive Moessner算法），它对一个数列进行重复的累加操作，一次次地计算前缀和，总共将花费O(n^3)次加法操作。但是，令人费解的是，这个简单的程序为什么可以输出前n个正整数的阶乘呢？

1. a[ 0 ]:=1;
   
2. for i:=1 to n do
   
3. begin
   
4.    a[ i ]:=0;
   
5.    for j:=n downto 1 do
   
6.    begin
   
7.       for k:=1 to j do
   
8.          a[ k ] := a[ k ]+a[ k-1 ]
   
9.       write(a[ i ],' ');
   
10.    end;
    
11. end;

复制代码

我在网上搜索相关的东西时找到了另一个有趣的东西。对一个初始时全为1的数列反复进行这两个操作：累加求前缀和，然后以1,2,3,...的间隔划掉其中一部分数（即划去所有位置编号为三角形数的数）形成新的序列。类似的数列操作方法最先由Alfred Moessner提出的，我们这里不妨把它叫做Moessner数列。你会发现，第n轮操作开始前，数列的第一个数恰好是n! 。看看下面的例子吧：

1 1 1 1 1 1 1 1 1  1  1  1  1  1  1 ...
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ...
x 2 x 4 5 x 7 8 9  x 11 12 13 14  x ...

2 4  5  7  8  9 11 12 13 14 ...
2 6 11 18 26 35 46 58 71 85 ...
x 6  x 18 26  x 46 58 71  x ...

6 18 26 46  58  71 ...
6 24 50 96 154 225 ...
x 24  x 96 154   x ...

24  96 154 ...
24 120 274 ...
x 120  x  ...

120 ...
.....

    当然，发现前面O(n^3)的程序和这个Moessner数列的关联时我很是吃了一惊：在前面的程序里，如果你输出每一次i循环末所得到的数列，你会发现输出的这些数正好就是后面这个问题里被我们划掉的数，而它们其实就是第一类Stirling数！
    这到底是为什么呢？是什么东西把阶乘、第一类Stirling数、Moessner数列和那个O(n^3)的程序联系在一起的呢？昨天，我想这个问题想了一天，最后终于想通了。如果把Moessner数列排列成这个样子，一切就恍然大悟了：

   
    仔细观察上图，我们会发现：
    1. 按照Moessner数列的定义，每个数都应该等于它左边的数和左上角的数的和（这个“左边”可以跳过若干空格）。例如，35 = 9 + 26，46 = 11 + 35。排成一系列三角形后，每个三角形最右边一列的数就是被划去的数，它永远不能参与它下面的那些行的运算。
    2. 设a[n,i,j]表示左起第n个三角形阵列中的第i行右起第j列上的数，则a[n,i,j]=a[n-1,i-1,j]*n + a[n-1,i,j]，例如274=50*5+24。如果递推时遇到空白位置而它左边隔若干空格的地方还有数的话，则需要用左边的数来补，例如18=4*4+2。对于每个三角形的最后一列来说，这个性质实际上就是第一类Stirling数的递推关系，因此Moessner数列中才会出现第一类Stirling数。
    3. 在第一类Stirling数中，s(n,1)=n! ，也即左起第n个三角形最底端的那个数等于n!。从上面的第二个性质来看，这也是显然的。
    4. O(n^3)的算法实际上就是在绘制上面这个图。每一次j循环末，我们得到的序列是第i个三角形中每一行左起第j个数组成的序列。例如，计算第5个三角形内的数时，程序首先累加出1, 11, 46, 96, 120, 120，这样便算出了a[5]=120，数列的前5个数再次累加即得到1, 12, 58, 154, 274，由此算出a[4]=274。
    第二个性质可以利用第一个性质进行数学归纳法证明，证明很简单，我就不多说了。现在我尽可能少写一些繁琐的细节，节约一些时间用来复习古代汉语。

做人要厚道，
转贴请注明出处。

查看更多：
http://www.luschny.de/math/factorial/FastFactorialFunctions.htm
http://www.luschny.de/math/factorial/index.html <---- 巨牛，20多种阶乘算法的代码！

gxqcn

• 关于将积转化为平方差：此法虽有效，但仅适用于第一遍循环，而且此时参与的数字都是int型的小整数，速度反不及直接相乘；
  
• 关于将20!分解相乘的推导，与我2004-06-14写的高精度快速阶乘算法类似，但不及我的深入。

lijeki

太快了:funk:

爱尔兰咖啡

收藏了~~~~~~~~~~~~~

无心人

尽量乘小数字组合成双字
对双字序列进行合并乘， 得到双双字
然后在乘双双字，得到双双双字
然后在乘双双双字，得到双双双双字

shines

不错，以前我看的也是这个网址 http://www.luschny.de/math/factorial/index.html ，不过那时候没有这么多算法，现在扩展了很多

gxqcn

我以前曾运行过该网站上的程序，效率并不好，参数大点还会非法退出。

silitex

第一个代码果然是错的：
long h=n/2, q=h*h;
long r = (n&1)==1 ? 2*q*n : 2*q;
f = LargeInteger.create(r);
for(int d=1; d<N-2; d+=2)
    f = f.multiply(q-=d);
根据分析的理解，下面这段代码更容易让人理解，并且正确：
        long h = (N+1)/2, q = h*h;
        long r = (N&1)==1 ? h : h*N;
        for (int d = 1; d < N-1; d += 2)
                r *= q -= d;
通过测试，它是对的。

gxqcn

看来你对阶乘算法有些研究。

silitex

呵，最开始看过看得很快，后来在家里突然间想起阶乘的新算法挺不错，就花了点时间有兴趣研究了一下。一个新手的算法让您见笑了