Тайны чисел. Математическая одиссея - Маркус Дю Сотой

Но как мы можем быть уверены, что 29, закодированное число покупателя, надежно защищено? В конце концов, хакер может перехватить это число, когда оно путешествует по интернету. Также он может легко найти открытый ключ Боба, состоящий из 33-часового калькулятора и инструкции возвести номер кредитной карты в 7-ю степень. Все, что необходимо хакеру, чтобы взломать код, – найти число, 7-я степень которого, вычисленная на 33-часовом калькуляторе, равна 29.

Нет необходимости говорить, что это совсем нелегко. Даже при обычной арифметике, когда можно возвести число в квадрат на клапане конверта, значительно труднее совершить обратное действие и извлечь квадратный корень. При вычислении степеней на часовом калькуляторе появляется дополнительное усложнение. Очень скоро вы теряете из вида число, с которого стартовали, потому что величина ответа совершенно теряет связь с этим числом.

В нашем примере числа достаточно малы, чтобы хакер мог попытаться, пробуя различные изменения, найти ответ. Но на практике веб-сайты используют часовые калькуляторы, у которых в числе часовых делений более 100 цифр, поэтому метод перебора становится невозможным. Вы также можете задаться вопросом, каким же образом компания, ведущая продажи в интернете, извлекает номер кредитной карты покупателя, если настолько трудно решить эту задачу на 33-часовом калькуляторе?

Обобщение малой теоремы Ферма, найденное Эйлером, гарантирует существование магического декодирующего числа D. Боб может найти произведение D множителей, каждый из которых равен закодированному номеру кредитной карты, и восстановить исходный номер кредитной карты. Но вы можете определить число D, только если знаете секретные простые числа p и q. Знание этих простых чисел становится ключом к раскрытию кодов интернета, потому что вам требуется решить следующую задачу на секретном часовом калькуляторе:

Когда мы подставим наши числа, то придем к уравнению

Значит, вопрос состоит в нахождении числа, которое при умножении на 7 дает результат, который при делении на 20 дает остаток 1. D = 3 подойдет, потому что 7 × 3 = 21 = 1 (modulo 20).

И, если мы возведем закодированный номер кредитной карты в третью степень, вновь появится исходный номер:

Возможность восстановления номера кредитной карты из закодированного сообщения зависит от знания секретных простых чисел p и q. Поэтому любому, кто захочет взломать коды из интернета, необходимо найти способ разложить число N на простые множители. Каждый раз, когда вы покупаете книгу онлайн или скачиваете музыкальный трек, вы используете магию простых чисел для защиты вашей кредитной карты.

Те, кто придумывает коды, всегда стараются опережать взломщиков. Математики постоянно придумывают все более изощренные способы отправки секретных сообщений на случай, если когда-либо будет взломан код, основанный на простых числах. Для защиты траекторий полета самолетов уже используется новый вид кодирования, называемый эллиптической криптографией (для краткости ЭК). Приз в миллион долларов данной главы связан с пониманием математики эллиптических кривых, лежащих в основе этих новых кодов.

Существует множество различных эллиптических кривых, но все они описываются уравнениями вида y² = x³ + ax + b. Каждая кривая соответствует различным значениям a и b: например, а = 0 и b = –2 задают y² = x³ – 2.

Это уравнение определяет кривую, которую я могу нарисовать на миллиметровке, как показано ниже, путем нахождения последовательности точек (x, y). Я ввожу значение х, рассчитываю выражение x³ – 2 и беру из него квадратный корень, чтобы найти соответствующее значение y. Так, если x = 3, мы получим x³ – 2 = 27 – 2 = 25. Чтобы получить y, мне нужно взять квадратный корень из 25, поскольку y² = x³ – 2. Итак, y равен 5 или –5 (потому что минус при умножении на минус дает плюс, всегда имеется два квадратных корня). Получившийся график симметричен относительно горизонтальной оси, потому что у каждого квадратного корня выше ее есть зеркальный отрицательный корень. Пока мы нашли две точки: (3, 5) и (3, –5).

Рис. 4.18. График эллиптической кривой

Эти точки на эллиптической кривой особенно приятны, потому что и х, и у являются целыми числами. Можете ли вы найти другие такие точки? Давайте попробуем подставить x = 2. Тогда x³ – 2 = 8–2 = 6, так что y = √6 или – √6. В первом примере у 25 был целочисленный квадратный корень, но квадратный корень из 6 не так хорош. Древние греки доказали, что не существует дроби (не говоря уже о целом числе), которая при возведении в квадрат дает 6. √6 записывается в виде десятичного числа, дробная часть которого уходит в бесконечность без появления повторяющейся последовательности:

Вопрос на миллион долларов связан с нахождением точек на этой кривой, где и x, и y являются целыми числами или дробями. В большинстве случаев такого не происходит, потому что, когда вы подставляете х, получающееся y не будет целым числом или даже дробью, потому что у большинства чисел нет красивого квадратного корня. Нам повезло найти красивые точки (3, 5) и (3, –5) на кривой, но будут ли другие такие точки?

Древние греки нашли красивое геометрическое построение, показывающее, как получить другие точки (x, y), где и х, и y являются дробями, если вы нашли одну такую точку. Проведите прямую линию, которая слегка касается кривой в первой найденной точке – линия не должна пересекать кривую в этой точке, а проходить под правильным углом, чтобы лишь чуть скользнуть по ней, как показано на графике ниже. Мы называем такую прямую линию касательной к кривой в данной точке. Продолжая прямую, мы найдем ее пересечение с кривой в новой точке. Удивительное открытие состоит в том, что обе координаты новой точки будут дробями.

Рис. 4.19. Как найти другие точки на эллиптической кривой, координаты которых будут дробями

Например, если мы проведем касательную к эллиптической кривой y² = x³ – 2 в точке (x, y) = (3, 5), то найдем, что она пересекает кривую в новой точке (x, y) = (129/100, 383/1000), где обе координаты являются дробями. Мы можем провести касательную и в новой точке, в результате получится еще одна точка, где х и y будут дробями: