ОПЕРАЦИИ ПО МОДУЛЮ

Как посчитать 231 по модулю 17 на калькуляторе?

Сначала мы разделим 231 на 17 и получим 13,58823529.

Затем найдем произведение 13 x 17 = 221. Таким образом мы избавимся от дробной части.

Наконец, найдем разность 231–221 = 10, получив остаток отделения.

Итак, 231 по модулю 17 равно 10. Этот результат записывается как 231 

10 (mod 17).

* * *

Математика для расчетов на наших часах со стрелками, циферблат которых разделен на 12 частей, называется арифметикой по модулю 12. В общем случае мы говорим, что a 

a 

b 

а — b  0 (mod m)

а — b кратно m

Вопрос «Которому часу на часах со стрелками соответствует время 19 часов?» эквивалентен в математических терминах следующему вопросу: «С каким числом сравнимо число 19 по модулю 12?» Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны решить уравнение

19 

Разделив 19 на 12, мы получим частное 1 и остаток 7, поэтому

19 

А в случае 127 часов? Разделив 127 на 12, мы получим частное 10 и остаток 7, поэтому

127 

Чтобы повторить изученное до сих пор, давайте рассмотрим следующие операции по модулю 7:

(1) 3 + 3 

6

(2) 3 + 14 

3

(3) 3 х 3 = 9 

2

(4) 5 x 4 = 20 

6

(5) 7 

0

(6) 35 

0

(7) -44 = -44 + 0 = -44 + 7 х 7 

 5

(8) -33 = -33 + 0 = -33 + 5 x 7 

2

(1) 6 меньше, чем модуль, поэтому не меняется

(2) 3 + 14 = 17; 17: 7 = 2 и в остатке 3.

(3) 3 X 3 = 9; 9: 7 = 1 и в остатке 2.

(4) 5 х 4 = 20; 20: 7 = 2 и в остатке 6.

(5) 7 = 7; 7: 7 = 1 и в остатке 0.

(6) 35 = 35; 35: 7 = 5 и в остатке 0.

(7) -44 = -44 + 0; 44 + 7 х 7 

5.

(8) -33 = -33 + 0; -33 + 5 x 7 

2.

* * *

* * *

Какая связь между модульной арифметикой и шифром Цезаря? Чтобы ответить на этот вопрос, мы запишем в таблице стандартный алфавит и алфавит со сдвигом на три буквы, добавив титульный ряд из 26 чисел.

Мы видим, что зашифрованное значение буквы под номером х (в стандартном алфавите) является буквой, стоящей на позиции х + 3 (также в стандартном алфавите). Поэтому необходимо найти преобразование, которое каждому числу ставит в соответствие число, сдвинутое на три единицы, и взять результат по модулю 26.

Заметим, что 3 является ключом нашего шифра. Таким образом, наша функция записывается как

C(х) = (х + 3) (mod 26),

где х — изначальное значение, а С(х) — зашифрованное значение. Теперь достаточно подставить вместо буквы ее числовое значение и применить трансформацию.

Возьмем в качестве примера слово PLAY и зашифруем его.

Буква Р стоит на позиции 15, С(15) = 15 + 3

Буква L стоит на позиции 11, С(11) = 11 + 3 

Буква А стоит на позиции 0, С(0) = 0 + 3 

Буква Y стоит на позиции 24, С (24) = 24 + 3 = 27 

Таким образом, слово PLAY, зашифрованное с ключом 3, превратится в слово SODB.

В общем случае, если х означает позицию буквы, которую мы хотим зашифровать (0 для А, 1 для В, и т. д.), позиция зашифрованной буквы [обозначаемая С(х)] выражается формулой

С(х) = (х + k) (mod n),

где n — длина алфавита (26 в английском алфавите), a k — ключ, используемый в данном шифре.

Расшифровка такого сообщения включает в себя расчеты, обратные тем, что использовались для шифрования. В нашем примере расшифровка означает применение формулы, обратной той, что использовалась выше:

С^-1(х) = (х — k) (mod n).

В случае сообщения SODB, зашифрованного шифром Цезаря с ключом 3 с применением английского алфавита, то есть k = 3 и n = 26, мы получим:

С^-1(х) = (х — 3) (mod 26).

Применим эту формулу следующим образом:

Для S: х = 18, С^-1(18) = 18 — 3 

Для О: х = 14, С^-1(14) = 14 — 3 

Для D: х = 3, С^-1(3) = 3–3 

Для В: x = 1, С^-1(1) = 1–3 = —2 + 26 

Сообщение SODB, зашифрованное шифром Цезаря с ключом 3, соответствует, как мы уже знаем, оригинальному тексту PLAY.

В заключении нашего первого знакомства с математикой криптографии мы рассмотрим новое преобразование, известное как аффинный шифр, частным случаемкоторого является шифр Цезаря. Оно определяется следующим образом:

С_(a,Ь)(x) = (а∙х + b) (mod n),

где а и b — два целых числа, меньших, чем число (n) букв в алфавите. Наибольший общий делитель (НОД) чисел а и n должен быть равен 1 [НОД (а, n) = 1], потому что иначе, как мы увидим позже, получится несколько возможностей для шифрования одной и той же буквы. Ключ шифра определяется парой (а, Ь). Шифр Цезаря с ключом 3 является, следовательно, аффинным шифром со значениями

а = 1 и b = 3.

Обобщенный аффинный шифр имеет более высокий уровень безопасности, чем обычный шифр Цезаря. Почему? Как мы видели, ключом аффинного шифра является пара чисел (а, b). Если сообщение написано с использованием алфавита из 26 букв и зашифровано с помощью аффинного шифра, то и а, и b могут принимать любые значения от 0 до 25. Таким образом, в этой системе шифрования с алфавитом из 26 букв возможное количество ключей составит 25 х 25 = 625. Заметим, что количество ключей для алфавита из n букв в n раз больше, чем в шифре Цезаря.

Это значительное улучшение, но аффинный шифр все еще возможно расшифровать методом перебора всех возможных вариантов.

* * *