Реализуйте быстрое преобразование Фурье, используя как можно меньше символов.

Правила:

• Самое короткое решение побеждает
• Можно предположить, что вход представляет собой одномерный массив, длина которого равна степени двойки.
• Вы можете использовать алгоритм по вашему выбору, но на самом деле решение должно быть быстрым преобразованием Фурье, а не просто наивным дискретным преобразованием Фурье (т. Е. Оно должно иметь асимптотическую стоимость вычисления )$O(N \log N)$

Редактировать:

• код должен реализовывать стандартное быстрое быстрое преобразование Фурье, форму которого можно увидеть в уравнении (3) этой статьи Вольфрама ,

  

• Использование функции FFT из ранее существующей стандартной библиотеки или пакета статистики не допускается. Задача здесь состоит в том, чтобы кратко реализовать сам алгоритм FFT.

Mathematica, 95 байт

Еще одна реализация БПФ Кули – Тьюки с помощью @ chyaong .

{n=Length@#}~With~If[n>1,Join[+##,#-#2]&[#0@#[[;;;;2]],#0@#[[2;;;;2]]I^Array[-4#/n&,n/2,0]],#]&

Ungolfed

FFT[x_] := With[{N = Length[x]},
  If[N > 1,
    With[{a = FFT[ x[[1 ;; N ;; 2]] ], 
          b = FFT[ x[[2 ;; N ;; 2]] ] * Table[E^(-2*I*Pi*k/N), {k, 0, N/2 - 1}]},
      Join[a + b, a - b]],
    x]]

J 37 байт

_2&(0((+,-)]%_1^i.@#%#)&$:/@|:]\)~1<#

Улучшение через несколько лет. До сих пор использует алгоритм БПФ Кули-Тьюки.

Благодаря @ Leaky Nun сохранено 4 байта с использованием e ^πi = -1 .

Попробуйте онлайн!

использование

   f =: _2&(0((+,-)]%_1^i.@#%#)&$:/@|:]\)~1<#
   f 1 1 1 1
4 0 0 0
   f 1 2 3 4
10 _2j2 _2 _2j_2
   f 5.24626 3.90746 3.72335 5.74429 4.7983 8.34171 4.46785 0.760139
36.9894 _6.21186j0.355661 1.85336j_5.74474 7.10778j_1.13334 _0.517839 7.10778j1.13334 1.85336j5.74474 _6.21186j_0.355661

объяснение

_2&(0((+,-)]%_1^i.@#%#)&$:/@|:]\)~1<#  Input: array A
                                    #  Length
                                  1<   Greater than one?
_2&(                            )~     Execute this if true, else return A
_2                            ]\         Get non-overlapping sublists of size 2
    0                       |:           Move axis 0 to the end, equivalent to transpose
                          /@             Reduce [even-indexed, odd-indexed]
                       &$:               Call recursively on each 
                   #                     Get the length of the odd list
                i.@                      Range from 0 to that length exclusive
                    %#                   Divide each by the odd length
             _1^                         Compute (-1)^x for each x
           ]                             Get the odd list
            %                            Divide each in that by the previous
       +                                 Add the even values and modified odd values
         -                               Subtract the even values and modified odd values
        ,                                Join the two lists and return

Python, 166 151 150 символов

При этом используется алгоритм БПФ Кули-Тьюки, основанный на radix-2

from math import*
def F(x):N=len(x);t=N<2or(F(x[::2]),F(x[1::2]));return N<2and x or[
a+s*b/e**(2j*pi*n/N)for s in[1,-1]for(n,a,b)in zip(range(N),*t)]

Тестирование результата

>>> import numpy as np
>>> x = np.random.random(512)
>>> np.allclose(F(x), np.fft.fft(x))
True

Python 3: 140 134 113 символов

Короткая версия - короткая и сладкая, вписывается в твит (благодаря миль ):

from math import*
def f(v):
 n=len(v)
 if n<2:return v
 a,b=f(v[::2])*2,f(v[1::2])*2;return[a[i]+b[i]/1j**(i*4/n)for i in range(n)]

(В Python 2 /происходит усечение деления, когда обе стороны являются целыми числами. Поэтому мы заменим (i*4/n)на (i*4.0/n), что увеличивает длину до 115 символов.)

Длинная версия - больше ясности во внутренностях классического Cooley-Tukey FFT:

import cmath
def transform_radix2(vector):
    n = len(vector)
    if n <= 1:  # Base case
        return vector
    elif n % 2 != 0:
        raise ValueError("Length is not a power of 2")
    else:
        k = n // 2
        even = transform_radix2(vector[0 : : 2])
        odd  = transform_radix2(vector[1 : : 2])
        return [even[i % k] + odd[i % k] * cmath.exp(i * -2j * cmath.pi / n) for i in range(n)]

R: 142 133 99 95 байт

Спасибо @Giuseppe за помощь в сокращении 32 36 байт!

f=function(x,n=sum(x|1),y=1:(n/2)*2)`if`(n>1,f(x[-y])+c(b<-f(x[y]),-b)*exp(-2i*(y/2-1)*pi/n),x)

Дополнительным трюком здесь является использование аргументов основной функции по умолчанию для создания экземпляров некоторых переменных.
Использование остается прежним:

x = c(1,1,1,1)
f(x)
[1] 4+0i 0+0i 0+0i 0+0i

4-летняя версия на 133 байта:

f=function(x){n=length(x);if(n>1){a=Recall(x[seq(1,n,2)]);b=Recall(x[seq(2,n,2)]);t=exp(-2i*(1:(n/2)-1)*pi/n);c(a+b*t,a-b*t)}else{x}}

С отступами:

f=function(x){
    n=length(x)
    if(n>1){
        a=Recall(x[seq(1,n,2)])
        b=Recall(x[seq(2,n,2)])
        t=exp(-2i*(1:(n/2)-1)*pi/n)
        c(a+b*t,a-b*t)
        }else{x}
    }

Используется также алгоритм Кули-Тьюки. Единственными хитростями здесь являются использование функции, Recallкоторая допускает рекурсивность, и использование векторизации R, которая значительно сокращает фактические вычисления.

Использование:

x = c(1,1,1,1)
f(x)
[1] 4+0i 0+0i 0+0i 0+0i

Питон, 134

Это в значительной степени заимствовано из решения jakevdp, поэтому я настроил его на вики сообщества.

from math import*
F=lambda x:x*(len(x)<2)or[a+s*b/e**(2j*pi*n/len(x))for s in(1,-1)for n,(a,b)in
enumerate(zip(F(x[::2]),F(x[1::2])))]

Изменения:

-12 символов: убить t.

def F(x):N=len(x);t=N<2or(F(x[::2]),F(x[1::2]));return ... in zip(range(N),*t)]
def F(x):N=len(x);return ... in zip(range(N),F(x[::2]),F(x[1::2]))]

-1 символ: трюк экспоненты x*y**-z == x/y**z (это может помочь некоторым другим)

...[a+s*b*e**(-2j*pi*n/N)...
...[a+s*b/e**(2j*pi*n/N)...

-2 символа: заменить andна*

...return N<2and x or[
...return x*(N<2)or[

+1 символ: lambdaизе, убийствоN

def F(x):N=len(x);return x*(N<2)or[a+s*b/e**(2j*pi*n/N) ... zip(range(N) ...
F=lambda x:x*(len(x)<2)or[a+s*b/e**(2j*pi*n/len(x)) ... zip(range(len(x)) ...

-2 символа: использовать enumerateвместоzip(range(len(

...for(n,a,b)in zip(range(len(x)),F(x[::2]),F(x[1::2]))]
...for n,(a,b)in enumerate(zip(F(x[::2]),F(x[1::2])))]

С 259

typedef double complex cplx;
void fft(cplx buf[],cplx out[],int n,int step){
if(step < n){
fft(out, buf,n, step * 2);
fft(out+step,buf+step,n,step*2);
for(int i=0;i<n;i+=2*step){
cplx t=cexp(-I*M_PI*i/n)*out[i+step];
buf[i/2]=out[i]+t;
buf[(i+n)/2]=out[i]-t;
}}}

Проблема в том, что такие реализации бесполезны, а простой алгоритм НАМНОГО быстрее.

Matlab, 128 118 107 102 101 94 93 байта

EDIT6: спасибо @algmyr за еще один байт!

function Y=f(Y);
n=numel(Y);
k=2:2:n;
if k;
   c=f(Y(k-1));
   d=f(Y(k)).*i.^(2*(2-k)/n);
   Y=[c+d;c-d];
end

EDIT5: все еще становится короче :) благодаря @sanchises

function Y=f(Y)
n=numel(Y);
k=2:2:n;
if k;
   c=f(Y(k-1));
   d=f(Y(k)).*(-1).^((2-k)/n);
   Y=[c+d;c-d];
end

EDIT4: Yay, -1 символ больше (мог бы также обойтись без k):

function Y=f(Y)
n=numel(Y);
if n>1;
   k=2:2:n;
   c=f(Y(k-1));
   d=f(Y(k)).*(-1).^((k/2-1)*2/n)';
   Y=[c+d;c-d];
end

EDIT2 / 3: Спасибо за @sanchises для дальнейших улучшений!

function Y=f(Y)
n=numel(Y);  
if n>1;
   c=f(Y(1:2:n));
   d=f(Y(2:2:n)).*(-1).^(-(0:n/2-1)*2/n).';
   Y=[c+d;c-d]; 
end

РЕДАКТИРОВАТЬ: Может внести некоторые улучшения, и заметил, что постоянная масштабирования не требуется.

Это расширенная версия, счетчик символов действителен, если вы удалите символы новой строки / пробелы. (Работает только для векторов столбцов.)

function y=f(Y)
n=numel(Y);  
y=Y;
if n>1;
   c=f(Y(1:2:n));
   d=f(Y(2:2:n));
   n=n/2;
   d=d.*exp(-pi*i*(0:n-1)/n).';
   y=[c+d;c-d]; 
end

Желе, 31 30 28 26 байт , неконкурентный

LḶ÷$N-*×,N$+ḷF
s2Z߀ç/µ¹Ṗ?

Желе было создано после этого испытания, поэтому оно не конкурирует.

При этом используется рекурсивный алгоритм Cooley-Tukey radix-2. Для версии без игры в гольф, смотрите мой ответ в Mathematica.

Попробуйте онлайн или проверьте несколько тестовых случаев .

объяснение

LḶ÷$N-*×,N$+ḷF  Helper link. Input: lists A and B
L               Get the length of A
   $            Operate on that length
 Ḷ                Make a range [0, 1, ..., length-1]
  ÷               Divide each by length
    N           Negate each
     -          The constant -1
      *         Compute -1^(x) for each x in that range
       ×        Multiply elementwise between that range and B, call it B'  
          $     Operate on that B'
         N        Negate each
        ,         Make a list [B', -B']
            ḷ   Get A
           +    Add vectorized, [B', -B'] + A = [A+B', A-B']
             F  Flatten that and return

s2Z߀ç/µ¹Ṗ?  Main link. Input: list X
         Ṗ   Curtail - Make a copy of X with the last value removed
          ?  If that list is truthy (empty lists are falsey)
       µ       Parse to the left as a monad
s2             Split X into sublists of length 2
  Z            Transpose them to get [even-index, odd-index]
   ߀          Call the main link recursively on each sublist
     ç/        Call the helper link as a dyad on the sublists and return
             Else
        ¹      Identity function on X and return

C (gcc) , 188 186 184 183 байта

#define d(a,b,c)f(a,b,c,1,0)
f(a,b,c,n,k)_Complex*a,*b;{_Complex z[c];*b=*a;if(n<c)for(f(a,z,c,n*2),f(a+n,z+n,c,n*2);k<c;k+=n*2)b[k+c>>1]=z[k]*2-(b[k/2]=z[k]+z[k+n]/cpow(1i,2.*k/c));}

Попробуйте онлайн!

Слегка поиграл меньше

#define d(a,b,c)f(a,b,c,1,0)
f(a,b,c,n,k)_Complex*a,*b;{
  _Complex z[c];
  *b=*a;
  if(n<c)
    for(f(a,z,c,n*2),f(a+n,z+n,c,n*2);k<c;k+=n*2)
      b[k+c>>1]=z[k]*2-(b[k/2]=z[k]+z[k+n]/cpow(1i,2.*k/c));
}

Пари / ГП, 76 знаков

X(v)=my(t=-2*Pi*I/#v,s);vector(#v,k,s=t*(k-1);sum(n=0,#v-1,v[n+1]*exp(s*n)))

использование

X([1,1,1,1])
%2 = [4.000000000000000000000000000, 0.E-27 + 0.E-28*I, 0.E-28 + 0.E-27*I, 0.E-27 + 0.E-28*I]

Октава , 109 103 101 100 байт

f(f=@(f)@(x,n=rows(x)){@(d=f(f)(x(k=2:2:n)).*i.^((k*2-4)/n)')[d+(c=f(f)(x(k-1)));c-d],x}{1+(n<2)}())

Попробуйте онлайн!

Оооо, мои глаза кровоточат от этой рекурсивной проклятой лямбды. Большая часть этого была снята с ответа @ flawr.

f(                                          % lambda function
  f=@(f)                                    % defined in its own argument list, 
                                            % accepts itself as parameter (for recursion)
    @(x,n=rows(x)){                         % calls another lambda,
                                            % 2nd parameter is just to define a variable
      @(d=f(f)(x(k=2:2:n)).*i.^((k*2-4)/n)')% 1/4 of FFT (argument just defines a variable)
        [d+(c=f(f)(x(k-1)));                % 2/4 of FFT
         c-d                                % 4/4 of FFT
        ],                                  % This is in a @()[] to inhibit evaluation
                                            % unless actually called
      x                                     % FFT of length 1
    }{1+(n<2)}                              % if len(x)==1, return x
                                            % else return [d+c;c-d]
  ()                                        % this is probably important too
)

APL (NARS), 58 символов, 116 байтов

{1≥k←≢⍵:⍵⋄(∇⍵[y∼⍨⍳k])(+,-)(∇⍵[y←2×⍳t])×0J1*t÷⍨2-2×⍳t←⌊k÷2}

контрольная работа

  f←{1≥k←≢⍵:⍵⋄(∇⍵[y∼⍨⍳k])(+,-)(∇⍵[y←2×⍳t])×0J1*t÷⍨2-2×⍳t←⌊k÷2}
  f 1 1 1 1
4J0 0J0 0J0 0J0 
  f 1 2 3 4
10J0 ¯2J2 ¯2J0 ¯2J¯2 
  f 1J1 2 ¯2J1  9
10J2 3J7 ¯12J2 3J¯7 
  f 5.24626,3.90746,3.72335,5.74429,4.7983,8.34171,4.46785,0.760139
36.989359J0 ¯6.211855215J0.3556612739 1.85336J¯5.744741 7.107775215J¯1.133338726 ¯0.517839J0 
  7.107775215J1.133338726 1.85336J5.744741 ¯6.211855215J¯0.3556612739 

Аксиома, 259 , 193 , 181 , 179 байт

L(g,n,f)==>[g for i in 1..n|f]
h(a)==(n:=#a;n=1=>a;c:=h(L(a.i,n,odd? i));d:=h(L(a.i,n,even? i));n:=n/2;t:=1>0;v:=L(d.i*%i^(-2*(i-1)/n),n,t);append(L(c.i+v.i,n,t),L(c.i-v.i,n,t)))

Даже если h (a) может пройти весь тест и будет приемлемо в качестве входа для этого «соревнования», для проверки аргументов необходимо вызвать h () или hlp () через fft () ниже . Я не знаю, может ли это программное обеспечение быть в порядке, потому что я видел только то, что написали другие, и искал способ, которым оно могло работать в Аксиоме, чтобы получить какой-то возможный правильный результат. Ниже приведен код без комментариев:

-- L(g,n,f)==>[g for i in 1..n|f]
-- this macro L, build one List from other list, where in g, there is the generic element of index i
-- (as a.i, or a.i*b.i or a.i*4), n build 1..n that is the range of i, f is the condition 
-- for insert the element in the list result.

hlp(a)==
    n:=#a;n=1=>a
    -- L(a.i,n,odd? i)  it means build a list getting "even indices i of a.i as starting from index 0" [so even is odd and odd is even]
    -- L(a.i,n,even? i) it means build a list getting "odd  indices i of a.i as starting from index 0"
    c:=hlp(L(a.i,n,odd? i));d:=hlp(L(a.i,n,even? i))
    n:=n/2;t:=1>0
    v:=L(d.i*%i^(-2*(i-1)/n),n,t)
    append(L(c.i+v.i,n,t),L(c.i-v.i,n,t))

-- Return Fast Fourier transform of list a, in the case #a=2^n
fft(a)==(n:=#a;n=0 or gcd(n,2^30)~=n=>[];hlp(a))

(5) -> h([1,1,1,1])
   (5)  [4,0,0,0]
                                    Type: List Expression Complex Integer
(6) -> h([1,2,3,4])
   (6)  [10,- 2 + 2%i,- 2,- 2 - 2%i]
                                    Type: List Expression Complex Integer
(7) -> h([5.24626,3.90746,3.72335,5.74429,4.7983,8.34171,4.46785,0.760139])
   (7)
   [36.989359, - 6.2118552150 341603904 + 0.3556612739 187363298 %i,
    1.85336 - 5.744741 %i, 7.1077752150 341603904 - 1.1333387260 812636702 %i,
    - 0.517839, 7.1077752150 341603904 + 1.1333387260 812636702 %i,
    1.85336 + 5.744741 %i,
    - 6.2118552150 341603904 - 0.3556612739 187363298 %i]
                                      Type: List Expression Complex Float
(8) -> h([%i+1,2,%i-2,9])
   (8)  [10 + 2%i,3 + 7%i,- 12 + 2%i,3 - 7%i]
                                    Type: List Expression Complex Integer

в немногих, которые я видел, h () или fft () вернули бы точное решение, но если упрощение не так хорошо, как в:

(13) -> h([1,2,3,4,5,6,7,8])
   (13)
                    +--+                                   +--+
        (- 4 + 4%i)\|%i  - 4 + 4%i             (- 4 - 4%i)\|%i  - 4 + 4%i
   [36, --------------------------, - 4 + 4%i, --------------------------, - 4,
                    +--+                                   +--+
                   \|%i                                   \|%i
            +--+                                   +--+
    (- 4 + 4%i)\|%i  + 4 - 4%i             (- 4 - 4%i)\|%i  + 4 - 4%i
    --------------------------, - 4 - 4%i, --------------------------]
                +--+                                   +--+
               \|%i                                   \|%i
                                    Type: List Expression Complex Integer

Затем достаточно изменить тип только одного элемента списка, как показано ниже в разделе 8. (Float), чтобы найти примерное решение:

(14) -> h([1,2,3,4,5,6,7,8.])
   (14)
   [36.0, - 4.0000000000 000000001 + 9.6568542494 923801953 %i, - 4.0 + 4.0 %i,
    - 4.0 + 1.6568542494 92380195 %i, - 4.0, - 4.0 - 1.6568542494 92380195 %i,
    - 4.0 - 4.0 %i, - 4.0 - 9.6568542494 923801953 %i]
                                      Type: List Expression Complex Float

Я написал это, видел все другие ответы, потому что в ссылке на странице это было слишком сложно, поэтому я не знаю, может ли этот код быть правильным. Я не один эксперт, так что все это (вероятно) может быть ошибочным.