Algorithmes de multiplication : complexité bilinéaire et méthodes asymptotiquement rapides

Multiplication algorithms : bilinear complexity and fast asymptotic methods

• Auteur / Autrice : Svyatoslav Covanov
• Direction : Emmanuel Thomé, Jérémie Detrey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 05/06/2018
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications - Caramba
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Boldo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clément Pernet, Daniel Augot, Natacha Portier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clément Pernet, Daniel Augot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Complexité de calcul (informatique)

Développements asymptotiques

Algorithmes

Multiplication complexe

Mots clés libres

Multiplication

Algorithme

Complexité

Rang

Bilinéaire

Entiers

Matrices

Polynômes

FFT

Multiplication

Algorithm

Complexity

Rank

Bilinear

Integers

Matrix

Polynomials

FFT

Résumé

Depuis 1960 et le résultat fondateur de Karatsuba, on sait que la complexité de la multiplication (d’entiers ou de polynômes) est sous-quadratique : étant donné un anneau R quelconque, le produit sur R[X] des polynômes a_0 + a_1 X et b_0 + b_1 X, pour tous a_0, a_1, b_0 et b_1 dans R, peut être calculé en seulement trois et non pas quatre multiplications sur R : (a_0 + a_1 X)(b_0 + b_1 X) = m_0 + (m_2 - m_0 - m_1)X + m_1 X^2, avec les trois produits m_0 = a_0b_0, m_1 = a_1b_1 et m_2 = (a_0 + a_1)(b_0 + b_1). De la même manière, l’algorithme de Strassen permet de multiplier deux matrices 2nx2n en seulement sept produits de matrices nxn. Les deux exemples précédents tombent dans la catégorie des applications bilinéaires : des fonctions de la forme Phi : K^m x K^n -> K^l, pour un corps donné K, linéaires en chacune des deux variables. Parmi les applications bilinéaires les plus classiques, on trouve ainsi la multiplication de polynômes, de matrices, ou encore d’éléments d’extensions algébriques de corps finis. Étant donnée une application bilinéaire Phi, calculer le nombre minimal de multiplications nécessaires au calcul de cette application est un problème NP-difficile. L'objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes minimisant ce nombre de multiplications. Deux angles d'attaques ont été suivis. Un premier aspect de cette thèse est l'étude du problème du calcul de la complexité bilinéaire sous l'angle de la reformulation de ce problème en termes de recherche de sous-espaces vectoriels de matrices de rang donné. Ce travail a donné lieu à un algorithme tenant compte de propriétés intrinsèques aux produits considérés tels que les produits matriciels ou polynomiaux sur des corps finis. Cet algorithme a permis de trouver toutes les décompositions possibles, sur F_2, pour le produit de polynômes modulo X^5 et le produit de matrices 3x2 par 2x3. Un autre aspect de ma thèse est celui du développement d’algorithmes asymptotiquement rapides pour la multiplication entière. Une famille particulière d'algorithmes récents ont été proposés suite à un article de Fürer publié en 2007, qui proposait un premier algorithme, reposant sur la transformée de Fourier rapide (FFT) permettant de multiplier des entiers de n bits en O(n log n 2^{O(log^* n)}), où log^* est la fonction logarithme itéré. Dans cette thèse, un algorithme dont la complexité dépend d'une conjecture de théorie des nombres est proposé, reposant sur la FFT et l'utilisation de premiers généralisés de Fermat. Une analyse de complexité permet d'obtenir une estimation en O(n log n 4^{log^* n})

Since 1960 and the result of Karatsuba, we know that the complexity of the multiplication (of integers or polynomials) is sub-quadratic: given a ring R, the product in R[X] of polynomials a_0 + a_1 X and b_0 + b_1 X, for any a_0, a_1, b_0 and b_1 in R, can be computed with three and not four multiplications over R: (a_0 + a_1X)(b_0 + b_1X) = m_0 + (m_2 - m_0 - m_1)X + m_1X^2, with the three multiplications m_0 = a_0b_0, m_1 = a_1b_1 et m_2 = (a_0 + a_1)(b_0 + b_1). In the same manner, Strassen's algorithm allows one to multiply two matrices 2nx2n with only seven products of matrices nxn. The two previous examples fall in the category of bilinear maps: these are functions of the form Phi : K^m x K^n -> K^l, given a field K, linear in each variable. Among the most classical bilinear maps, we have the multiplication of polynomials, matrices, or even elements of algebraic extension of finite fields. Given a bilinear map Phi, computing the minimal number of multiplications necessary to the evaluation of this map is a NP-hard problem. The purpose of this thesis is to propose algorithms minimizing this number of multiplications. Two angles of attack have been studied. The first aspect of this thesis is to study the problem of the computation of the bilinear complexity under the angle of the reformulation of this problem in terms of research of matrix subspaces of a given rank. This work led to an algorithm taking into account intrinsic properties of the considered products such as matrix or polynomial products over finite fields. This algorithm allows one to find all the possible decompositions, over F_2, for the product of polynomials modulo X^5 and the product of matrices 3x2 by 2x3. Another aspect of this thesis was the development of fast asymptotic methods for the integer multiplication. There is a particular family of algorithms that has been proposed after an article by Fürer published in 2007. This article proposed a first algorithm, relying on fast Fourier transform (FFT), allowing one to multiply n-bit integers in O(n log n 2^{O(log^* n)}), where log^* is the iterated logarithm function. In this thesis, an algorithm, relying on a number theoretical conjecture, has been proposed, involving the use of FFT and generalized Fermat primes. With a careful complexity analysis of this algorithm, we obtain a complexity in O(nlog n 4^{log^* n})