카라추바 알고리즘

'''카라추바 알고리즘'''은 소련의 수학자 아나톨리 알렉세예비치 카라추바가 1960년에 발견하고 1962년에 공개한, 큰 수에 대한 효과적인 곱셈 알고리즘이다.
이 방법은 두 ''n''자리 수의 곱셈을 최대 (''n''이 2의 거듭제곱일 때는 정확하게 와 일치한다)개의 한 자리 곱셈으로 줄인다. 그러므로 이 방법은 ''n''2개의 한 자리 곱셈을 해야하는 고전적인 곱셈 방법보다 빠르다. 만약 ''n'' = 210 = 1024 라면, 고전적인 방법에서는 (210)2 = 1,048,576 회의 한 자리 곱셈이 필요하지만, 이 방법으로는 310 = 59,049 회의 한 자리 곱셈만이 필요하다.
톰-쿡 곱셈법은 카라추바 알고리즘의 일반적인 형태이다. 충분히 큰 ''n''에 대해 카라추바 알고리즘의 복잡도는 쇤하게-슈트라센 알고리즘보다 크다.
카라추바 알고리즘은 분할 정복 알고리즘의 좋은 예이다.
기본적으로 두 ''n''자리 수의 곱셈은 ''n''2에 비례하는 (점근 표기법으로는 )횟수의 기초 연산이 필요하다. 1952년 안드레이 콜모고로프는 고전적인 알고리즘이 의 연산 횟수로 점근적으로 최적화 될 수 있을 것이라고 추측했다.
1960년 가을, 콜모고로프는 모스크바 대학교에서 사이버네틱스에 관한 수학 문제들에 대한 세미나를 열었다. 그곳에서  추측과 다른 계산 복잡도 이론에 대한 문제들을 언급했다. 그 후 1주 만에 23살 학생 카라추바가 두 ''n''자리수의 곱셈을 회의 기초 연산을 통해 행할 수 있는 분할 정복 알고리즘을 발견함으로써, 그 추측을 반증하였다. 콜모고로프는 그 발견에 매우 당황했다. 그는 마지막이 될 다음 세미나에서 이것을 알렸다.
이 방법은 1962년 ''소비에트 연방 과학 학회(Доклады Академии наук СССР)''에 발표되었다. 그 논문은 콜모고로프가 유리 오프만과 협력하여 썼지만, 카라추바와 오프만이 저자로 올라갔다. 카라추바는 발표자로부터 사본을 받고 그 사실을 알게 되었다.
=== 기본 단계 ===
카라추바 알고리즘의 기본 단계는 큰 두 수 ''x''와 ''y''의 곱을 자릿수가 ''x'', ''y''의 절반인 수들의 곱 3번과 덧셈과 시프트 연산을 이용해 계산하는 것이다.
''x''와 ''y''를 ''B''진법의 ''n''자리수라고 하자. ''n''보다 작은 양수 ''m''에 대해 다음과 같이 ''x'', ''y''를 쪼갤 수 있다.
:''x'' = ''x''1''B''''m'' + ''x''0
:''y'' = ''y''1''B''''m'' + ''y''0
(단, ''x''0과 ''y''0는 ''B''''m''보다 작다.)
:''z''2 = ''x''1''y''1
:''z''1 = ''x''1''y''0 + ''x''0''y''1
:''z''0 = ''x''0''y''0
라고 할 때, ''x''와 ''y''의 곱은
:''xy'' = (''x''1''B''''m'' + ''x''0)(''y''1''B''''m'' + ''y''0)
::= ''z''2 ''B''2''m'' + ''z''1 ''B''''m'' + ''z''0
이 식은 4번의 곱셈을 해야한다. 카라추바는 덧셈을 몇 번 함으로써, ''xy''를 3번의 곱셈을 통해 구할 수 있다는 걸 알았다.
:''z''2 = ''x''1''y''1 라 하자.
:''z''0 = ''x''0''y''0 라 하자.
:''z''1 = (''x''1''y''1 + ''x''1''y''0 + ''x''0''y''1 + ''x''0''y''0) - ''x''1''y''1 - ''x''0''y''0 = ''x''1''y''0 + ''x''0''y''1
이므로
:''z''1 = (''x''1 + ''x''0)(''y''1 + ''y''0) − ''z2'' − ''z0'' 라 할 수 있다.
=== 예 ===
''B'' = 10 이라하고, ''m'' = 2 라 하자. 1234와 5678의 곱을 구하고 싶으면,
:12 34 = 12 × 102 + 34
:56 78 = 56 × 102 + 78
:''z''2 = 12 × 56 = 672
:''z''0 = 34 × 78 = 2652
:''z''1 = (12 + 34)(56 + 78) − ''z''2 − ''z''0 = 46 × 134 − 672 − 2652 = 2840
:결과 = ''z''2 × 102×2 + ''z''1 × 102 + ''z''0 = 672 × 10000 + 2840 × 100 + 2652 = '''7006652'''
=== 재귀적 활용 ===
만약 ''n''이 4 이상이면, 카라추바 알고리즘 기본 단계를 통해 ''n''보다 작은 자리의 수에 대한 곱셈 3번을 하게 된다. 그러므로 재귀 호출을 통해 그 곱을 계산할 수 있다. 재귀 호출은 곱하는 수가 단번에 계산될 정도로 작아질 때까지 적용할 수 있다.
예를 들어 32비트끼리 곱하는 곱셈기에서 ''B'' = 231 = 2,147,483,648 or ''B'' = 109 = 1,000,000,000를 선택하고 각 자리를 독립된 32비트 단위로 저장할 수 있다. 그러면 ''x''1 + ''x''0와 ''y''1 + ''y''0에 여분의 자리올림 비트가 필요없고, 카라추바 재귀는 숫자가 한 자리가 될 때까지 반복가능하다.
카라추바 알고리즘 기본단계는 모든 ''B''와 ''m''에 대해 작동하지만, ''m''이 ''n''/2일 때 가장 효율적이다. 특히 양의 정수 ''k''에 대해 ''n''이 2''k''이고, 재귀가 ''n''이 1일 때 끝난다면, 한 자리 곱셈의 횟수는 3''k''이 된다(''n''''c''에서 ''c'' = log23가 되므로).
카라추바 알고리즘 기본단계의 덧셈, 뺄셈, 시프트 연산(''B''의 거듭제곱으로 곱하는 것)은 ''n''에 비례하는 시간이 걸리므로, 그 비용의 비중은 ''n''이 증가함에 따라 무시할 정도로 줄어든다. 더 정확하게 ''t''(''n'')이 두 ''n''자리수의 곱셈에 필요한 기초연산의 총 횟수라고 할 때 다음과 같다.
:''t''(''n'') = 3 ''t''(''n''/2) + ''cn'' + ''d''
(''c''와 ''d''는 적당한 상수)
이런 재귀적 관계를 마스터 정리를 통해 풀면, 점근 표기법으로 ''t''(''n'') = (''n''log(3)/log(2))이라는 것을 알 수 있다.
충분히 큰 ''n''에 대해, 카라추바 알고리즘은 고전적인 곱셈법보다 적은 횟수의 시프트 연산과 한 자리 곱셈을 행한다. 하지만 작은 ''n''에 대하여는 추가적인 덧셈과 시프트 연산 때문에 고전적인 곱셈법보다 속도가 느려진다. 그 경계는 컴퓨터의 플랫폼에 따라 달라진다. 대략적으로 곱하는 수가 2320 ≈ 2 이상일 때 카라추바 알고리즘이 더 빠르다.
* Karacuba A. A. ''Berechnungen und die Kompliziertheit von Beziehungen (German).'' Elektron. Informationsverarb. Kybernetik, 11, 603–606 (1975).
*  카라추바 곱셈 알고리즘 - 웹 기반 계산기 (GPL)
*  MathWorld의 카라추바 알고리즘
* Bernstein, D. J., " 수학자를 위한 여러 자리 수의 곱셈법". 카라추바 알고리즘을 비롯한 여러 곱셈 알고리즘.
*  "중국식 곱셈법" - 카라추바 알고리즘의 실용적인 활용 사례.
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