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数学与数论:概览

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数学与数论:逻辑的 DNA

永恒的真理

软件每年都在变,框架每十年就会消亡。但数字的属性在 2500 年间从未改变。如果欧几里得在公元前 300 年找到了一种寻找“最大公约数”的方法,那么这个算法在今天依然是最高效的。

在工程界,我们研究数学不是为了解决“数学题”。我们研究数学是为了解决 信任 (Trust)效率 (Efficiency) 问题。没有数论,就没有 RSA 加密(信任);没有同余运算,就没有哈希表(效率)。

原子的策略

在本章中,我们将审视数字宇宙的构建塊:

概念灵魂 / 隐喻代表算法最佳应用场景
素性原子
素数是所有数字唯一的构建基石。
埃拉托斯特尼筛法密码学
RSA、DH 算法及安全密钥。
和谐伟大的协调者
寻找两个不同周期之间的共同节奏。
GCD / 欧几里得算法简化
宽高比、分数简化及定时器。
循环数字时钟
一个循环往复的世界,将数值保持在边界内。
模运算 (Modular)哈希与加密
数据分布与隐藏秘密。
开关总机接线员
使用机器的母语交流:0 和 1。
位运算 (Bitwise)性能
标志位、压缩及极速计算。

数字数学的三大法则

  1. 精度即生命: 在数学中,0.999...0.999... 等于 11。在计算机中,浮点数误差 (0.1+0.2eq0.30.1 + 0.2 eq 0.3) 可能导致火箭坠毁或银行破产。数论研究的是整数,那里的真理是绝对的。
  2. 大数之墙: 现代安全依赖于一个事实:将两个 1024 位的素数相乘很容易,但反向分解结果几乎是不可能的。
  3. 循环逻辑: 大多数计算机系统不会通向无穷大,它们是在转圈(模运算)。理解这个“圆”,就是理解机器的关键。

小结

在本章中,我们将剥离 UI、框架和 API,去窥探数字那原始且跳动的逻辑。我们将发现,历史上最古老的算法,往往正是今天我们口袋里最不可或缺的技術。

让我们从宇宙的原子开始:素数