• 仿射变换与加密


    前言:

    摘抄自wiki的关于仿射变换的定义:

    http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%BF%E5%B0%84%E5%8F%98%E6%8D%A2

      仿射变换,又称仿射映射,是指在几何中,一个向量空间进行一次线性变换并接上一个平移,变换为另一个向量空间。

        一个对向量{vec  {x}} 平移{vec  {b}},与旋转放大缩小A 的仿射映射为

         {vec  {y}}=A{vec  {x}}+{vec  {b}}.       【1】


    1、移位加密:

      比方说:把字母表全部向右循环移1位,也就是A变成B,B变成C,... , Z变成A。

      用数学一点的术语我觉得所谓“移位”就是映射吧。

      那么我们可以写出通解公式,——现在是已知明文和加密步骤,进行加密,也就是求密文。

        New = (Old + k) (mod table)    【2】

       注释:

          New:要求的密文

          Old  :明文

          k :移位的位数

          table:这张表有多大,比方说字母表就是26个字母,table就是26.

    2、仿射变换:

      移位加密和仿射变换有啥关系呢?

      额 ,因为移位加密就是一种放射变换。。。

      首先我们在1里面的变量命名现在改一下,以便更好地认识,变成:

      y = (x + b)(mod m)   【3】 

      是不是和【1】很像啦,可惜我们的x没有系数。。

      但是没关系,我们完全可以自己加上一个系数,把【3】变成:

      y = (ax + b)(mod m)   a,b为整数; 【4】 

      这样已经很像了,只不过【1】里面的自变量是向量。

      但是,我们这里讨论的是一维的变换,所以不用用到2维及其以上的向量。(一维数字标记的向量就是普通的数嘛……)

      

    3、知道了1、2这些,我们现在的目标就是——

      "当知道一个一维的仿射变换的加密,

        a. 怎么把明文加密 

        b. 怎么把密文解密 "

      

      对于"a. 怎么把明文加密",我们已经解决了,就是【4】那个公式。

      对于"b. 怎么把密文解密"嘛,其实也不复杂。待我不快不慢地说来。

      首先由【4】我们可以得到什么?

        没错!就是 y ≡ (ax + b)(mod m) —— 这是明显的事实不用证明了。

      然后正视一下题目是什么:我们现在已知a,b,y,m,要求x。

        1). 左右移位一下 ,变为 y-b ≡ (ax)(mod m) 【5】

          {为啥【5】是对的?

            首先同余式可以相加,

             即 若 a ≡ b (mod m), c ≡ d (mod m), 【*】

             那么(a + c) ≡ (b + d)(mod m) .

              ——同余式可以相加的证明用同余的定义就好……

           然后  y ≡ (ax + b)(mod m)

               -b ≡ -b (mod m)

           所以……

          }

        2). 已知y-b ≡ (ax)(mod m),x未知,求x.

          现在已知ax ≡(y-b) (mod m);

          {首先我们要知道 同余式可以相乘,若【*】,则 ac ≡ bd (mod m) .证明同样可以基于同余定义。}

          这时候我们就脑补了,如果有一个c能使得 cax ≡ x ≡ c(y-b) (mod m)就好了!

          也就是说这个c如果能使得ca = 1或者 更宽一点的:ca ≡ 1(mod m).那么就解决了!

        3). 于是问题变成了:找一个c使得,ca ≡ 1(mod m)

          于是很容易联系到费马小定理、欧拉定理一类的。

          但是费马小定理要求m一定要是素数,这样和我们题目不符。

          所以看看欧拉定理,对 gcd(a,m) = 1(m>1),有aΦ(m) ≡ 1 (mod m)

          {Φ(m) 为欧拉函数,就是小于等于m的与m互素的正整数个数。如Φ(2) = 1 ,Φ(6) = 2——6与{1,5}互素。}

          所以如果ca = aΦ(m) ,那么就有ca ≡ 1(mod m)。

          于是c = aΦ(m)-1 . 但是gcd(a,m) = 1,这一点不能漏。

    4、综上,我们发现了,当c = aΦ(m)-1 时 ;

         cax ≡c(y-b) (mod m)

         化为 x ≡c(y-b) (mod m) {现在要附加gcd(a,m)=1这个条件了!}

    5、那么对于仿射变换,

        我们知道变化规则[即位移b]后,如何把密文[y]翻译成明文[x]呢?

        结论是:

         step 1.  求 c = aΦ(m)-1 

         step 2.  x ≡c(y-b) (mod m)

          

    番外小剧场:

    窝:你在2里面为啥要改名字?该问题纯属好奇!

    big窝:此中原因有2——

        1. 如文中所说,为了更直观地比较。

        2. 也是最根本的原因——变量命名如此之平凡,根本不是我的feel!OK?

    窝:......

    窝:第二个问题——你怎么知道同余式符合相加相乘原理?你怎么想到的?

    big窝: 首先"同余式符合相加相乘原理"这个结论在数论里就像是实数有相加相乘的运算一样自然,如果想不到那么你需要找一本数论的书看看,不需要看完这就足以变成你的常识。至于怎么想到的,如果给你一堆数,你能想到的最基本的运算就是做加减乘除了吧?

    窝:恩……好像是的……

    big窝:那不就得了,说了同余式符合相加相乘原理是同余式的基本运算。

    窝:……哦……

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