Theorem karatsuba 16987

Description: The Karatsuba multiplication algorithm. If 𝑋 and 𝑌 are decomposed into two groups of digits of length 𝑀 (only the lower group is known to be this size but the algorithm is most efficient when the partition is chosen near the middle of the digit string), then 𝑋𝑌 can be written in three groups of digits, where each group needs only one multiplication. Thus, we can halve both inputs with only three multiplications on the smaller operands, yielding an asymptotic improvement of n^(log₂ 3) instead of n^2 for the "naive" algorithm decmul1c 12645. (Contributed by Mario Carneiro, 16-Jul-2015.) (Revised by AV, 9-Sep-2021.)

Hypotheses

Ref	Expression
karatsuba.a	⊢ 𝐴 ∈ ℕ0
karatsuba.b	⊢ 𝐵 ∈ ℕ0
karatsuba.c	⊢ 𝐶 ∈ ℕ0
karatsuba.d	⊢ 𝐷 ∈ ℕ0
karatsuba.s	⊢ 𝑆 ∈ ℕ0
karatsuba.m	⊢ 𝑀 ∈ ℕ0
karatsuba.r	⊢ (𝐴 · 𝐶) = 𝑅
karatsuba.t	⊢ (𝐵 · 𝐷) = 𝑇
karatsuba.e	⊢ ((𝐴 + 𝐵) · (𝐶 + 𝐷)) = ((𝑅 + 𝑆) + 𝑇)
karatsuba.x	⊢ ((𝐴 · (;10↑𝑀)) + 𝐵) = 𝑋
karatsuba.y	⊢ ((𝐶 · (;10↑𝑀)) + 𝐷) = 𝑌
karatsuba.w	⊢ ((𝑅 · (;10↑𝑀)) + 𝑆) = 𝑊
karatsuba.z	⊢ ((𝑊 · (;10↑𝑀)) + 𝑇) = 𝑍

Assertion

Ref	Expression
karatsuba	⊢ (𝑋 · 𝑌) = 𝑍

Proof of Theorem karatsuba

Step	Hyp	Ref	Expression
1		karatsuba.a	. . . . . 6 ⊢ 𝐴 ∈ ℕ0
2	1	nn0cni 12385	. . . . 5 ⊢ 𝐴 ∈ ℂ
3		10nn0 12598	. . . . . . 7 ⊢ ;10 ∈ ℕ0
4	3	nn0cni 12385	. . . . . 6 ⊢ ;10 ∈ ℂ
5		karatsuba.m	. . . . . 6 ⊢ 𝑀 ∈ ℕ0
6		expcl 13978	. . . . . 6 ⊢ ((;10 ∈ ℂ ∧ 𝑀 ∈ ℕ0) → (;10↑𝑀) ∈ ℂ)
7	4, 5, 6	mp2an 692	. . . . 5 ⊢ (;10↑𝑀) ∈ ℂ
8	2, 7	mulcli 11111	. . . 4 ⊢ (𝐴 · (;10↑𝑀)) ∈ ℂ
9		karatsuba.b	. . . . 5 ⊢ 𝐵 ∈ ℕ0
10	9	nn0cni 12385	. . . 4 ⊢ 𝐵 ∈ ℂ
11		karatsuba.c	. . . . . 6 ⊢ 𝐶 ∈ ℕ0
12	11	nn0cni 12385	. . . . 5 ⊢ 𝐶 ∈ ℂ
13	12, 7	mulcli 11111	. . . 4 ⊢ (𝐶 · (;10↑𝑀)) ∈ ℂ
14		karatsuba.d	. . . . 5 ⊢ 𝐷 ∈ ℕ0
15	14	nn0cni 12385	. . . 4 ⊢ 𝐷 ∈ ℂ
16	8, 10, 13, 15	muladdi 11560	. . 3 ⊢ (((𝐴 · (;10↑𝑀)) + 𝐵) · ((𝐶 · (;10↑𝑀)) + 𝐷)) = ((((𝐴 · (;10↑𝑀)) · (𝐶 · (;10↑𝑀))) + (𝐷 · 𝐵)) + (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵)))
17	8, 13	mulcli 11111	. . . 4 ⊢ ((𝐴 · (;10↑𝑀)) · (𝐶 · (;10↑𝑀))) ∈ ℂ
18	15, 10	mulcli 11111	. . . 4 ⊢ (𝐷 · 𝐵) ∈ ℂ
19	8, 15	mulcli 11111	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) ∈ ℂ
20	13, 10	mulcli 11111	. . . . 5 ⊢ ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵) ∈ ℂ
21	19, 20	addcli 11110	. . . 4 ⊢ (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵)) ∈ ℂ
22	17, 18, 21	add32i 11329	. . 3 ⊢ ((((𝐴 · (;10↑𝑀)) · (𝐶 · (;10↑𝑀))) + (𝐷 · 𝐵)) + (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵))) = ((((𝐴 · (;10↑𝑀)) · (𝐶 · (;10↑𝑀))) + (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵))) + (𝐷 · 𝐵))
23	8, 12	mulcli 11111	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) ∈ ℂ
24		karatsuba.s	. . . . . . 7 ⊢ 𝑆 ∈ ℕ0
25	24	nn0cni 12385	. . . . . 6 ⊢ 𝑆 ∈ ℂ
26	23, 25, 7	adddiri 11117	. . . . 5 ⊢ ((((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) + 𝑆) · (;10↑𝑀)) = ((((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) · (;10↑𝑀)) + (𝑆 · (;10↑𝑀)))
27	2, 7, 12	mul32i 11301	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) = ((𝐴 · 𝐶) · (;10↑𝑀))
28		karatsuba.r	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 · 𝐶) = 𝑅
29	28	oveq1i 7351	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐴 · 𝐶) · (;10↑𝑀)) = (𝑅 · (;10↑𝑀))
30	27, 29	eqtri 2753	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) = (𝑅 · (;10↑𝑀))
31	30	oveq1i 7351	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) + 𝑆) = ((𝑅 · (;10↑𝑀)) + 𝑆)
32		karatsuba.w	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑅 · (;10↑𝑀)) + 𝑆) = 𝑊
33	31, 32	eqtri 2753	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) + 𝑆) = 𝑊
34	33	oveq1i 7351	. . . . 5 ⊢ ((((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) + 𝑆) · (;10↑𝑀)) = (𝑊 · (;10↑𝑀))
35	8, 12, 7	mulassi 11115	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) · (;10↑𝑀)) = ((𝐴 · (;10↑𝑀)) · (𝐶 · (;10↑𝑀)))
36	2, 12	mulcli 11111	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝐴 · 𝐶) ∈ ℂ
37	36, 18, 25	add32i 11329	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 · 𝐶) + (𝐷 · 𝐵)) + 𝑆) = (((𝐴 · 𝐶) + 𝑆) + (𝐷 · 𝐵))
38	28	oveq1i 7351	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝐴 · 𝐶) + 𝑆) = (𝑅 + 𝑆)
39		karatsuba.t	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝐵 · 𝐷) = 𝑇
40	10, 15, 39	mulcomli 11113	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝐷 · 𝐵) = 𝑇
41	38, 40	oveq12i 7353	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 · 𝐶) + 𝑆) + (𝐷 · 𝐵)) = ((𝑅 + 𝑆) + 𝑇)
42	37, 41	eqtri 2753	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 · 𝐶) + (𝐷 · 𝐵)) + 𝑆) = ((𝑅 + 𝑆) + 𝑇)
43		karatsuba.e	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 + 𝐵) · (𝐶 + 𝐷)) = ((𝑅 + 𝑆) + 𝑇)
44	2, 10, 12, 15	muladdi 11560	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 + 𝐵) · (𝐶 + 𝐷)) = (((𝐴 · 𝐶) + (𝐷 · 𝐵)) + ((𝐴 · 𝐷) + (𝐶 · 𝐵)))
45	42, 43, 44	3eqtr2i 2759	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 · 𝐶) + (𝐷 · 𝐵)) + 𝑆) = (((𝐴 · 𝐶) + (𝐷 · 𝐵)) + ((𝐴 · 𝐷) + (𝐶 · 𝐵)))
46	36, 18	addcli 11110	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 · 𝐶) + (𝐷 · 𝐵)) ∈ ℂ
47	2, 15	mulcli 11111	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 · 𝐷) ∈ ℂ
48	12, 10	mulcli 11111	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐶 · 𝐵) ∈ ℂ
49	47, 48	addcli 11110	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 · 𝐷) + (𝐶 · 𝐵)) ∈ ℂ
50	46, 25, 49	addcani 11298	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝐴 · 𝐶) + (𝐷 · 𝐵)) + 𝑆) = (((𝐴 · 𝐶) + (𝐷 · 𝐵)) + ((𝐴 · 𝐷) + (𝐶 · 𝐵))) ↔ 𝑆 = ((𝐴 · 𝐷) + (𝐶 · 𝐵)))
51	45, 50	mpbi 230	. . . . . . . 8 ⊢ 𝑆 = ((𝐴 · 𝐷) + (𝐶 · 𝐵))
52	51	oveq1i 7351	. . . . . . 7 ⊢ (𝑆 · (;10↑𝑀)) = (((𝐴 · 𝐷) + (𝐶 · 𝐵)) · (;10↑𝑀))
53	47, 48, 7	adddiri 11117	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 · 𝐷) + (𝐶 · 𝐵)) · (;10↑𝑀)) = (((𝐴 · 𝐷) · (;10↑𝑀)) + ((𝐶 · 𝐵) · (;10↑𝑀)))
54	2, 15, 7	mul32i 11301	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 · 𝐷) · (;10↑𝑀)) = ((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷)
55	12, 10, 7	mul32i 11301	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐶 · 𝐵) · (;10↑𝑀)) = ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵)
56	54, 55	oveq12i 7353	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 · 𝐷) · (;10↑𝑀)) + ((𝐶 · 𝐵) · (;10↑𝑀))) = (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵))
57	52, 53, 56	3eqtri 2757	. . . . . 6 ⊢ (𝑆 · (;10↑𝑀)) = (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵))
58	35, 57	oveq12i 7353	. . . . 5 ⊢ ((((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐶) · (;10↑𝑀)) + (𝑆 · (;10↑𝑀))) = (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · (𝐶 · (;10↑𝑀))) + (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵)))
59	26, 34, 58	3eqtr3ri 2762	. . . 4 ⊢ (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · (𝐶 · (;10↑𝑀))) + (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵))) = (𝑊 · (;10↑𝑀))
60	59, 40	oveq12i 7353	. . 3 ⊢ ((((𝐴 · (;10↑𝑀)) · (𝐶 · (;10↑𝑀))) + (((𝐴 · (;10↑𝑀)) · 𝐷) + ((𝐶 · (;10↑𝑀)) · 𝐵))) + (𝐷 · 𝐵)) = ((𝑊 · (;10↑𝑀)) + 𝑇)
61	16, 22, 60	3eqtri 2757	. 2 ⊢ (((𝐴 · (;10↑𝑀)) + 𝐵) · ((𝐶 · (;10↑𝑀)) + 𝐷)) = ((𝑊 · (;10↑𝑀)) + 𝑇)
62		karatsuba.x	. . 3 ⊢ ((𝐴 · (;10↑𝑀)) + 𝐵) = 𝑋
63		karatsuba.y	. . 3 ⊢ ((𝐶 · (;10↑𝑀)) + 𝐷) = 𝑌
64	62, 63	oveq12i 7353	. 2 ⊢ (((𝐴 · (;10↑𝑀)) + 𝐵) · ((𝐶 · (;10↑𝑀)) + 𝐷)) = (𝑋 · 𝑌)
65		karatsuba.z	. 2 ⊢ ((𝑊 · (;10↑𝑀)) + 𝑇) = 𝑍
66	61, 64, 65	3eqtr3i 2761	1 ⊢ (𝑋 · 𝑌) = 𝑍

Syntax hints:   = wceq 1541   ∈ wcel 2110  (class class class)co 7341  ℂcc 10996  0cc0 10998  1c1 10999   + caddc 11001   · cmul 11003  ℕ₀cn0 12373  ;cdc 12580  ↑cexp 13960

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1796  ax-4 1810  ax-5 1911  ax-6 1968  ax-7 2009  ax-8 2112  ax-9 2120  ax-10 2143  ax-11 2159  ax-12 2179  ax-ext 2702  ax-sep 5232  ax-nul 5242  ax-pow 5301  ax-pr 5368  ax-un 7663  ax-cnex 11054  ax-resscn 11055  ax-1cn 11056  ax-icn 11057  ax-addcl 11058  ax-addrcl 11059  ax-mulcl 11060  ax-mulrcl 11061  ax-mulcom 11062  ax-addass 11063  ax-mulass 11064  ax-distr 11065  ax-i2m1 11066  ax-1ne0 11067  ax-1rid 11068  ax-rnegex 11069  ax-rrecex 11070  ax-cnre 11071  ax-pre-lttri 11072  ax-pre-lttrn 11073  ax-pre-ltadd 11074  ax-pre-mulgt0 11075

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1781  df-nf 1785  df-sb 2067  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2709  df-cleq 2722  df-clel 2804  df-nfc 2879  df-ne 2927  df-nel 3031  df-ral 3046  df-rex 3055  df-reu 3345  df-rab 3394  df-v 3436  df-sbc 3740  df-csb 3849  df-dif 3903  df-un 3905  df-in 3907  df-ss 3917  df-pss 3920  df-nul 4282  df-if 4474  df-pw 4550  df-sn 4575  df-pr 4577  df-op 4581  df-uni 4858  df-iun 4941  df-br 5090  df-opab 5152  df-mpt 5171  df-tr 5197  df-id 5509  df-eprel 5514  df-po 5522  df-so 5523  df-fr 5567  df-we 5569  df-xp 5620  df-rel 5621  df-cnv 5622  df-co 5623  df-dm 5624  df-rn 5625  df-res 5626  df-ima 5627  df-pred 6244  df-ord 6305  df-on 6306  df-lim 6307  df-suc 6308  df-iota 6433  df-fun 6479  df-fn 6480  df-f 6481  df-f1 6482  df-fo 6483  df-f1o 6484  df-fv 6485  df-riota 7298  df-ov 7344  df-oprab 7345  df-mpo 7346  df-om 7792  df-2nd 7917  df-frecs 8206  df-wrecs 8237  df-recs 8286  df-rdg 8324  df-er 8617  df-en 8865  df-dom 8866  df-sdom 8867  df-pnf 11140  df-mnf 11141  df-xr 11142  df-ltxr 11143  df-le 11144  df-sub 11338  df-neg 11339  df-nn 12118  df-2 12180  df-3 12181  df-4 12182  df-5 12183  df-6 12184  df-7 12185  df-8 12186  df-9 12187  df-n0 12374  df-z 12461  df-dec 12581  df-uz 12725  df-seq 13901  df-exp 13961

This theorem is referenced by:  dpmul4  32884