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數學與數論:概覽

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數學與數論:邏輯的 DNA

永恆的真理

軟體每年都在變,框架每十年就會消亡。但數字的屬性在 2500 年間從未改變。如果歐幾里得在西元前 300 年找到了一種尋找「最大公因數」的方法,那麼這個演算法在今天依然是最有效率的。

在工程界,我們研究數學不是為了解決「數學題」。我們研究數學是為了解決 信任 (Trust)效率 (Efficiency) 問題。沒有數論,就沒有 RSA 加密(信任);沒有同餘運算,就沒有哈希表(效率)。

原子的策略

在本章中,我們將審視數字宇宙的構建塊:

概念靈魂 / 隱喻代表演算法最佳應用場景
素性原子
素數是所有數字唯一的構建基石。
埃拉托斯特尼篩法密碼學
RSA、DH 演算法及安全密鑰。
和諧偉大的協調者
尋找兩個不同週期之間的共同節奏。
GCD / 歐幾里得演算法簡化
寬高比、分數簡化及定時器。
循環數位時鐘
一個循環往復的世界,將數值保持在邊界內。
模運算 (Modular)哈希與加密
數據分布與隱藏秘密。
開關總機接線員
使用機器的母語交流:0 和 1。
位元運算 (Bitwise)性能
標誌位元、壓縮及極速計算。

數位數學的三大法則

  1. 精度即生命: 在數學中,0.999...0.999... 等於 11。在電腦中,浮點數誤差 (0.1+0.2eq0.30.1 + 0.2 eq 0.3) 可能導致火箭墜毀或銀行破產。數論研究的是整數,那裡的真理是絕對的。
  2. 大數之牆: 現代安全依賴於一個事實:將兩個 1024 位元的素數相乘很容易,但反向分解結果幾乎是不可能的。
  3. 循環邏輯: 大多數電腦系統不會通向無窮大,她們是在轉圈(模運算)。理解這個「圓」,就是理解機器的關鍵。

小結

在本章中,我們將剝離 UI、框架和 API,去窺探數字那原始且跳動的邏輯。我們將發現,歷史上最古老的演算法,往往正是今天我們口袋裡最不可或缺的技術。

讓我們從宇宙的原子開始:素數