Description of fast matrix multiplication algorithm: ⟨5×7×11:280⟩

Algorithm type

3X4Y4Z4+X3Y6Z3+X3Y5Z3+2X3Y4Z4+2X3Y4Z3+X3Y3Z4+2X3Y4Z2+4X3Y3Z2+3X2Y4Z2+32X2Y3Z3+X2Y4Z+4X2Y3Z2+9X2Y2Z3+48XY3Z3+X2Y3Z+39X2Y2Z2+4XY4Z+XY3Z2+3XY2Z3+3X3YZ+5X2Y2Z+X2YZ2+18XY3Z+3XY2Z2+4XYZ3+4X2YZ+27XY2Z+7XYZ2+47XYZ3X4Y4Z4X3Y6Z3X3Y5Z32X3Y4Z42X3Y4Z3X3Y3Z42X3Y4Z24X3Y3Z23X2Y4Z232X2Y3Z3X2Y4Z4X2Y3Z29X2Y2Z348XY3Z3X2Y3Z39X2Y2Z24XY4ZXY3Z23XY2Z33X3YZ5X2Y2ZX2YZ218XY3Z3XY2Z24XYZ34X2YZ27XY2Z7XYZ247XYZ3*X^4*Y^4*Z^4+X^3*Y^6*Z^3+X^3*Y^5*Z^3+2*X^3*Y^4*Z^4+2*X^3*Y^4*Z^3+X^3*Y^3*Z^4+2*X^3*Y^4*Z^2+4*X^3*Y^3*Z^2+3*X^2*Y^4*Z^2+32*X^2*Y^3*Z^3+X^2*Y^4*Z+4*X^2*Y^3*Z^2+9*X^2*Y^2*Z^3+48*X*Y^3*Z^3+X^2*Y^3*Z+39*X^2*Y^2*Z^2+4*X*Y^4*Z+X*Y^3*Z^2+3*X*Y^2*Z^3+3*X^3*Y*Z+5*X^2*Y^2*Z+X^2*Y*Z^2+18*X*Y^3*Z+3*X*Y^2*Z^2+4*X*Y*Z^3+4*X^2*Y*Z+27*X*Y^2*Z+7*X*Y*Z^2+47*X*Y*Z

Algorithm definition

The algorithm ⟨5×7×11:280⟩ could be constructed using the following decomposition:

⟨5×7×11:280⟩ = ⟨3×3×6:40⟩ + ⟨3×3×6:40⟩ + ⟨2×4×5:33⟩ + ⟨3×4×5:47⟩ + ⟨2×4×6:39⟩ + ⟨2×3×5:25⟩ + ⟨3×4×6:56⟩.

This decomposition is defined by the following equality:

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7, [[A_1_1,A_1_2,A_1_3,A_1_4,A_1_5,A_1_6,A_1_7],[A_2_1,A_2_2,A_2_3,A_2_4,A_2_5,A_2_6,A_2_7],[A_3_1,A_3_2,A_3_3,A_3_4,A_3_5,A_3_6,A_3_7],[A_4_1,A_4_2,A_4_3,A_4_4,A_4_5,A_4_6,A_4_7],[A_5_1,A_5_2,A_5_3,A_5_4,A_5_5,A_5_6,A_5_7]]),Matrix(7, 11, [[B_1_1,B_1_2,B_1_3,B_1_4,B_1_5,B_1_6,B_1_7,B_1_8,B_1_9,B_1_10,B_1_11],[B_2_1,B_2_2,B_2_3,B_2_4,B_2_5,B_2_6,B_2_7,B_2_8,B_2_9,B_2_10,B_2_11],[B_3_1,B_3_2,B_3_3,B_3_4,B_3_5,B_3_6,B_3_7,B_3_8,B_3_9,B_3_10,B_3_11],[B_4_1,B_4_2,B_4_3,B_4_4,B_4_5,B_4_6,B_4_7,B_4_8,B_4_9,B_4_10,B_4_11],[B_5_1,B_5_2,B_5_3,B_5_4,B_5_5,B_5_6,B_5_7,B_5_8,B_5_9,B_5_10,B_5_11],[B_6_1,B_6_2,B_6_3,B_6_4,B_6_5,B_6_6,B_6_7,B_6_8,B_6_9,B_6_10,B_6_11],[B_7_1,B_7_2,B_7_3,B_7_4,B_7_5,B_7_6,B_7_7,B_7_8,B_7_9,B_7_10,B_7_11]]),Matrix(11, 5, [[C_1_1,C_1_2,C_1_3,C_1_4,C_1_5],[C_2_1,C_2_2,C_2_3,C_2_4,C_2_5],[C_3_1,C_3_2,C_3_3,C_3_4,C_3_5],[C_4_1,C_4_2,C_4_3,C_4_4,C_4_5],[C_5_1,C_5_2,C_5_3,C_5_4,C_5_5],[C_6_1,C_6_2,C_6_3,C_6_4,C_6_5],[C_7_1,C_7_2,C_7_3,C_7_4,C_7_5],[C_8_1,C_8_2,C_8_3,C_8_4,C_8_5],[C_9_1,C_9_2,C_9_3,C_9_4,C_9_5],[C_10_1,C_10_2,C_10_3,C_10_4,C_10_5],[C_11_1,C_11_2,C_11_3,C_11_4,C_11_5]]))) = Trace(Mul(Matrix(3, 3, [[A_3_3-A_3_5,A_3_4-A_3_6,A_3_1-A_3_7],[A_4_3-A_4_5,A_4_4-A_4_6,A_4_1-A_4_7],[A_5_3-A_5_5,A_5_4-A_5_6,A_5_1-A_5_7]]),Matrix(3, 6, [[B_3_7-B_3_9,B_3_1,B_3_2-B_3_4,-B_3_6+B_3_3,B_3_8-B_3_10,B_3_5-B_3_11],[B_4_7-B_4_9,B_4_1,B_4_2-B_4_4,-B_4_6+B_4_3,B_4_8-B_4_10,B_4_5-B_4_11],[B_1_7-B_1_9,B_1_1,B_1_2-B_1_4,B_1_3-B_1_6,B_1_8-B_1_10,B_1_5-B_1_11]]),Matrix(6, 3, [[-C_7_1+C_7_3,-C_7_2+C_7_4,C_7_5],[-C_1_1+C_1_3,-C_1_2+C_1_4,C_1_5],[-C_2_1+C_2_3,-C_2_2+C_2_4,C_2_5],[-C_3_1+C_3_3,-C_3_2+C_3_4,C_3_5],[-C_8_1+C_8_3,-C_8_2+C_8_4,C_8_5],[-C_5_1+C_5_3,-C_5_2+C_5_4,C_5_5]])))+Trace(Mul(Matrix(3, 3, [[A_1_3+A_3_3,A_1_4+A_3_4,A_1_1+A_3_1],[A_2_3+A_4_3,A_2_4+A_4_4,A_2_1+A_4_1],[A_5_3,A_5_4,A_5_1]]),Matrix(3, 6, [[B_3_7+B_5_7,B_3_1+B_5_1,B_3_2+B_5_2,B_5_3+B_3_3,B_5_8+B_3_8,B_3_5+B_5_5],[B_4_7+B_6_7,B_4_1+B_6_1,B_4_2+B_6_2,B_4_3+B_6_3,B_4_8+B_6_8,B_4_5+B_6_5],[B_1_7+B_7_7,B_1_1+B_7_1,B_1_2+B_7_2,B_1_3+B_7_3,B_1_8+B_7_8,B_1_5+B_7_5]]),Matrix(6, 3, [[C_7_3+C_9_3,C_7_4+C_9_4,C_7_5+C_9_5],[C_1_3,C_1_4,C_1_5],[C_2_3+C_4_3,C_2_4+C_4_4,C_2_5+C_4_5],[C_3_3+C_6_3,C_3_4+C_6_4,C_3_5+C_6_5],[C_8_3+C_10_3,C_8_4+C_10_4,C_8_5+C_10_5],[C_11_3+C_5_3,C_5_4+C_11_4,C_5_5+C_11_5]])))+Trace(Mul(Matrix(2, 4, [[A_1_5,A_1_2,A_1_6,A_1_7],[A_2_5,A_2_2,A_2_6,A_2_7]]),Matrix(4, 5, [[B_5_9,B_5_4,B_5_6,B_5_10,B_5_11],[B_2_9,B_2_4,B_2_6,B_2_10,B_2_11],[B_6_9,B_6_4,B_6_6,B_6_10,B_6_11],[B_7_9,B_7_4,B_7_6,B_7_10,B_7_11]]),Matrix(5, 2, [[C_9_1,C_9_2],[C_4_1,C_4_2],[C_6_1,C_6_2],[C_10_1,C_10_2],[C_11_1,C_11_2]])))+Trace(Mul(Matrix(3, 4, [[A_3_5,A_3_2,A_3_6,A_3_7],[A_4_5,A_4_2,A_4_6,A_4_7],[A_5_5,A_5_2,A_5_6,A_5_7]]),Matrix(4, 5, [[-B_5_7-B_3_7+B_5_9+B_3_9,-B_3_2-B_5_2+B_3_4+B_5_4,-B_3_3-B_5_3+B_3_6+B_5_6,-B_3_8-B_5_8+B_3_10+B_5_10,-B_3_5-B_5_5+B_3_11+B_5_11],[-B_2_7+B_2_9,-B_2_2+B_2_4,B_2_6-B_2_3,B_2_10-B_2_8,B_2_11-B_2_5],[-B_4_7-B_6_7+B_4_9+B_6_9,-B_4_2-B_6_2+B_4_4+B_6_4,-B_4_3-B_6_3+B_4_6+B_6_6,-B_4_8-B_6_8+B_4_10+B_6_10,-B_4_5-B_6_5+B_4_11+B_6_11],[-B_1_7-B_7_7+B_1_9+B_7_9,-B_1_2-B_7_2+B_1_4+B_7_4,-B_1_3-B_7_3+B_1_6+B_7_6,-B_1_8-B_7_8+B_1_10+B_7_10,-B_1_5-B_7_5+B_1_11+B_7_11]]),Matrix(5, 3, [[C_9_3,C_9_4,C_9_5],[C_4_3,C_4_4,C_4_5],[C_6_3,C_6_4,C_6_5],[C_10_3,C_10_4,C_10_5],[C_11_3,C_11_4,C_11_5]])))+Trace(Mul(Matrix(2, 4, [[-A_1_3-A_3_3+A_1_5+A_3_5,A_1_2+A_3_2,-A_3_4-A_1_4+A_3_6+A_1_6,-A_1_1-A_3_1+A_1_7+A_3_7],[-A_2_3-A_4_3+A_2_5+A_4_5,A_2_2+A_4_2,-A_2_4-A_4_4+A_2_6+A_4_6,-A_2_1-A_4_1+A_2_7+A_4_7]]),Matrix(4, 6, [[B_5_7,B_5_1,B_5_2,B_5_3,B_5_8,B_5_5],[B_2_7,B_2_1,B_2_2,B_2_3,B_2_8,B_2_5],[B_6_7,B_6_1,B_6_2,B_6_3,B_6_8,B_6_5],[B_7_7,B_7_1,B_7_2,B_7_3,B_7_8,B_7_5]]),Matrix(6, 2, [[C_7_1,C_7_2],[C_1_1,C_1_2],[C_2_1,C_2_2],[C_3_1,C_3_2],[C_8_1,C_8_2],[C_5_1,C_5_2]])))+Trace(Mul(Matrix(2, 3, [[A_1_3,A_1_4,A_1_1],[A_2_3,A_2_4,A_2_1]]),Matrix(3, 5, [[B_3_9,B_3_4,B_3_6,B_3_10,B_3_11],[B_4_9,B_4_4,B_4_6,B_4_10,B_4_11],[B_1_9,B_1_4,B_1_6,B_1_10,B_1_11]]),Matrix(5, 2, [[-C_7_3+C_7_1+C_9_1-C_9_3,C_7_2+C_9_2-C_7_4-C_9_4],[C_2_1+C_4_1-C_2_3-C_4_3,C_2_2+C_4_2-C_2_4-C_4_4],[C_3_1+C_6_1-C_3_3-C_6_3,C_3_2+C_6_2-C_3_4-C_6_4],[C_8_1+C_10_1-C_8_3-C_10_3,C_8_2+C_10_2-C_8_4-C_10_4],[C_5_1+C_11_1-C_5_3-C_11_3,C_5_2+C_11_2-C_5_4-C_11_4]])))+Trace(Mul(Matrix(3, 4, [[-A_1_3-A_3_3+A_3_5,A_3_2,-A_1_4-A_3_4+A_3_6,-A_1_1-A_3_1+A_3_7],[-A_2_3-A_4_3+A_4_5,A_4_2,-A_2_4-A_4_4+A_4_6,-A_2_1-A_4_1+A_4_7],[A_5_5-A_5_3,A_5_2,-A_5_4+A_5_6,-A_5_1+A_5_7]]),Matrix(4, 6, [[B_3_7+B_5_7-B_3_9,B_3_1+B_5_1,B_3_2+B_5_2-B_3_4,B_5_3+B_3_3-B_3_6,B_5_8+B_3_8-B_3_10,B_3_5+B_5_5-B_3_11],[B_2_7,B_2_1,B_2_2,B_2_3,B_2_8,B_2_5],[B_4_7+B_6_7-B_4_9,B_4_1+B_6_1,B_4_2+B_6_2-B_4_4,B_4_3+B_6_3-B_4_6,B_4_8+B_6_8-B_4_10,B_4_5+B_6_5-B_4_11],[B_1_7+B_7_7-B_1_9,B_1_1+B_7_1,B_1_2+B_7_2-B_1_4,B_1_3+B_7_3-B_1_6,B_1_8+B_7_8-B_1_10,B_1_5+B_7_5-B_1_11]]),Matrix(6, 3, [[-C_7_1+C_7_3+C_9_3,-C_7_2+C_7_4+C_9_4,C_7_5+C_9_5],[-C_1_1+C_1_3,-C_1_2+C_1_4,C_1_5],[-C_2_1+C_2_3+C_4_3,-C_2_2+C_2_4+C_4_4,C_2_5+C_4_5],[-C_3_1+C_3_3+C_6_3,-C_3_2+C_3_4+C_6_4,C_3_5+C_6_5],[-C_8_1+C_8_3+C_10_3,-C_8_2+C_8_4+C_10_4,C_8_5+C_10_5],[-C_5_1+C_5_3+C_11_3,-C_5_2+C_5_4+C_11_4,C_5_5+C_11_5]])))

N.B.: for any matrices A, B and C such that the expression Tr(Mul(A,B,C)) is defined, one can construct several trilinear homogeneous polynomials P(A,B,C) such that P(A,B,C)=Tr(Mul(A,B,C)) (P(A,B,C) variables are A,B and C's coefficients). Each trilinear P expression encodes a matrix multiplication algorithm: the coefficient in C_i_j of P(A,B,C) is the (i,j)-th entry of the matrix product Mul(A,B)=Transpose(C).

Algorithm description

These encodings are given in compressed text format using the maple computer algebra system. In each cases, the last line could be understood as a description of the encoding with respect to classical matrix multiplication algorithm. As these outputs are structured, one can construct easily a parser to its favorite format using the maple documentation without this software.


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