dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Шуточное сравнение, но занимательное, поскольку показывает “почти экспоненциальные” (см. ниже) различия. А именно: одноплатный Raspberry Pi 4 (Model B) и “большой” процессор. Raspberry Pi бывает удобно использовать для некоторых вычислений, особенно четвёртую версию, поскольку она заметно более мощная, но тут я решил в качестве второго устройства взять систему на базе i9-10900K. В качестве алгоритмической основы применён пакет CADO-NFS – это реализация метода NFS (в русскоязычной терминологии, обычно, метод “решета числового поля”) факторизации чисел. Система на процессоре Intel работает под Debian 11, а Raspberry Pi – под Raspberry Pi OS (64 bit), которая тоже основана на Debian 11. CADO-NFS я собрал из исходных кодов, с типовыми настройками (за исключением параметра, задающего разрядность счётчиков, но это детали). У Raspberry Pi 4 – Broadcom BCM2711 и четыре ядра Cortex-A72, без разгона, а у i9-10900K – 10 ядер (Comet Lake, куда более мощных, понятно) на 20 потоков, без разгона.

Что получилось (RPi – Raspberry Pi 4, указано время, затраченное на факторизацию):
1) для полупростого числа разрядностью 200 бит: RPi – ~88 сек.; i9 – ~27 сек. RPi/i9 == ~3.26;
2) для полупростого числа разрядностью 319 бит: RPi – ~4879 сек.; i9 – ~262 сек. RPi/i9 == ~18.62;
3) для полупростого числа разрядностью 336 бит: RPi – ~9861 сек.; i9 – ~578 сек. RPi/i9 == ~17.06;
4) для полупростого числа разрядностью 353 бита: RPi – ~17812 сек.; i9 – ~751 сек. RPi/i9 == ~23.72.

Итак, с ожидаемо огромным преимуществом выиграла система с i9, но для чисел малой разрядности – разница не так уж велика, что, конечно, не менее ожидаемо. (Конечно, показатели зависят и от самого числа, но для шуточного сравнения это не так уж важно.) При этом, из-за меньшего объёма памяти, RPi в принципе сошла бы с дистанции значительно раньше, если бы соревнование продолжилось (в системе с i9 установлено 128 Gb ОЗУ, а в RPi – только четыре гигабайта).

Интересен и другой момент: система с i9 использует чипсет Z590, водяное охлаждение, занимает место на полке и суммарно потребляет при интенсивных вычислениях около 360 Вт (точность измерения мощности, впрочем, не очень высокая, но результат похож на правду); RPi – это одноплатный компьютер, который под нагрузкой потребляет менее 6 Вт. То есть, i9 требуется в 60 раз больше электрической мощности. Вот так.

Разгадка к задаче про 2^255+19. В диалоге из “эпиграфа” к задаче говорится, что “очевидно, 2^255 + 19 делится на три”. Практически вся современная криптография так или иначе использует арифметику остатков. Поэтому понять, что 2^255 + 19 делится на три можно моментально: 2^255 при делении на 3 (mod 3) даёт остаток -1 (см. ниже); а 19 – это +1 (mod 3), потому что на 3 делится 18, соответственно, 19 == 6*3 + 1. Сумма остатков -1 + 1 == 0. Следовательно, число делится на три.

Почему 2^255 даёт остаток -1? Потому что 255 – нечётное число. Действительно, 2 в чётной степени будет давать остаток 1 (mod 3), а в нечётной остаток -1 (или 2, что здесь то же самое), так как 2 == 1*3 + (-1). Из этого можно вывести признак делимости на 3 для числа в двоичной записи, то есть, когда основание системы равно двум. А именно: биты со значением 1 (единица) на чётных позициях будут давать +1, на нечётных -1; если сумма (по единичным битам) делится на 3, то и само число делится. Пример (позиции считаем справа налево): 42 == 0b00101010; 1 + 1 + 1 == 3, следовательно, делится; 42 == 14*3; 43 == 0b00101011; 1 + 1 + 1 + (-1) == 2, следовательно, 43 не делится на 3.

Решение для 2^2023 + 2023. Доказываем, что делится на 3:
2^2023 (mod 3) == -1 (см. выше)
2023 = 2022 + 1; воспользуемся привычным признаком делимости для десятичной системы: 2 + 2 + 2 == 6, то есть, 0 (mod 3) => 2023 == 1 (mod 3)
-1 + 1 == 0

Естественно, возможны и другие, чем-то более привычные, способы. Например, в шестнадцатеричной системе, где 2^2023 это будет восьмёрка со множеством нулей, а 2023 == 0x07E7, поэтому в записи нашего числа, кроме нулей, встречаются только шестнадцатеричные цифры 8, 7, E и 7. В шестнадцатеричной системе действует тот же признак делимости на 3, что и в десятичной (“если сумма значений цифр делится на 3”), потому что основание системы 16 == 15 + 1, то есть, остаток 1. Шестнадцатеричное E это 14: 8 + 7 + 14 + 7 == 36; 36 == 12*3.

Небольшое продолжение прошлогодней записки о том, считал ли Аристотель, что “тяжёлые тела падают быстрее лёгких”. В этом контексте нередко можно услышать про эксперимент на Луне, когда астронавт демонстрирует, что тяжёлый молоток и легкое перо, будучи брошенными с равной высоты, достигают лунной поверхности одновременно.

Интересно, что в “Физике” Аристотеля падение в вакууме описано так: “Конкретная скорость движения тела в среде определяется формой и силой, придавшей импульс. Выходит, что в пустоте все тела были бы одинаково быстры. Но это невозможно”. То есть, Аристотель прямо допускает, что в пустоте скорость (точнее – “быстрота”, см. ниже) может быть одинаковой, но этим он обосновывает невозможность существования пустоты. Так, в том же тексте объясняется, что нет “соизмеримых с нулём” чисел, с помощью которых можно было бы обозначить скорость движения тела в пустоте: так как при отсутствии сопротивления среды максимальная скорость получилась бы бесконечно большой. А из-за того, что эта (сколь-угодно большая, “неизмеримая”) скорость универсальна, всякая пустота должна была бы всё равно мгновенно заполниться окружающим веществом.

Вообще, Аристотель не просто рассматривает падение тел строго через некоторую среду, но и предлагает классифицировать быстроту движения по пропорциям веса и сопротивления среды. А для “пустоты” такая классификация не работает, поскольку “в пустоте все тела были бы одинаково быстры, но без причины”, либо их максимальная скорость оказывается сколь угодно большой. Соответственно, пустоту (вакуум) Аристотель отвергает. И нужно учитывать, что Аристотель оперирует древнегреческими терминами и понятиями. Так, “полнота” (“заполненное”) и “пустота” (“пустое”) – πλῆρες и κενόν – это “первичные составляющие”, но Аристотель утверждает, что “полнота” должна быстро заполнять всякую пустоту, иначе возникают трудности с классификацией движения. А “скорость” в соответствующем фрагменте у Аристотеля обозначается словом τᾰ́χος, которое можно перевести и как “быстрота”, то есть, это, конечно, “скорость”, но в смысле минимального затрачиваемого времени (конкретно, “одинаково быстры” – ἰσοταχῆ; где знакомая приставка “изо-“/ἰσο как раз и обозначает одинаковость). (Другие сходные значения для той же основы: скорый, проворный и т.д.). Да и строит соответствующее понятие Аристотель на базе соизмеримости проходимых интервалов пути, интервалов времени. То есть, речь явно идёт о максимальной скорости (“быстроте движения”), достигаемой телом.

Так что, во-первых, Аристотель прямо пишет, что в пустоте скорость всех тел была бы одинаковой (а это тот самый эксперимент с пером и молотком в вакууме, который, якобы, опровергает представления Аристотеля); во-вторых, Аристотель утверждает, что пустоты быть не может (ну или он отказывается её допускать в рамках своей модели), а поэтому практическая максимальная скорость будет всегда разной у тел разного веса, при прочих равных параметрах (а это как раз хорошо подтверждается экспериментом, если пух и свинцовый шарик бросать в воздухе или, предположим, разные камни – в воде или в масле, как, возможно, делал Аристотель).

Сейчас популярна история с чат-ботом ChatGPT, который даёт пространные ответы на вопросы из самых разных областей. Мне доступ к данному сервису получить не удалось (там хотят слишком много реквизитов), но это не важно: понять, о чём речь, не так уж трудно по многочисленным цитатам. Всё это увлечение соответствует попыткам найти смысл непосредственно в тексте. Проблема в том, что текст, как набор символов с определённой структурой, тем не менее, самостоятельного смысла не несёт. Смысл образуется (или не образуется) после того, как результат прочтения текста вкладывается в некоторую большую структуру; и чтобы говорить об “интеллекте”, давать оценки, данная структура должна быть заметно мощнее конкретного текста. Это, впрочем, хорошо известное явление, про которое написано очень много и подробно. Несомненно, письменность очень важна не только для древних языков, но и для современных. Однако переход автоматического генератора текстов от фильтрации совсем примитивных конструкций к “наследованию” чуть более развитой “семантической” структуры, свойственной многим текстам по заданной теме, скорее свидетельствует об успешной оптимизации использования вычислительной аппаратуры с целью удивить пользователей Интернета, чем о чём-то ещё.

В советском мультфильме “Трое из Простоквашино” (1978 года) есть эпизод с Галчонком и потальоном. Почтальон Печкин стучится в дверь, но дома только специально обученная птичка – Галчонок, который на стук реагирует одной и той же фразой.
– Кто там? – спрашивает Галчонок. (Это единственная фраза, которую он знает на тот момент.)
– Это я, почтальон Печкин, принёс заметку про вашего мальчика, – отвечает Печкин. Ничего не происходит, поэтому почтальон стучит снова.
– Кто там? – спрашивает Галчонок.
– Это я, почтальон Печкин, принёс заметку про вашего мальчика, – отвечает Печкин.
Цикл “запрос-ответ-пояснение” повторяется многократно. В какой-то момент Галчонок замечает муху на оконной раме и клюёт её, производя тем самым стук.
– Кто там? – спрашивает, вместо Галчонка, заскучавший Печкин.
– Это я. Почтальон Печкин. Принёс заметку. Про вашего мальчика, – будто телетайпом отбивает ответ Галчонок.
И тут столкновение могучих интеллектов оканчивается поражением Печкина: эмоционально потрясённый, почтальон теряет сознание.

– Почему криптосистема называется X25519, откуда это 25519?
– Потому что там присутствует 2^255 и 19. Вот только “плюс” или “минус”? А, понятно, конечно, “минус”, поскольку 2^255+19 делится на 3, что очевидно.

Число, являющееся “модулем” в данной криптосистеме, должно быть простым. Соответственно, 2^255 – 19. Но выбор в большей степени обусловлен тем, что такое число имеет удобное двоичное представление: там много единичных битов подряд. Тем не менее, из наблюдения про 2^255 + 19 можно сделать задачу к Новому году: докажите, что 2^2023 + 2023 делится на три.

(Решение: записка и комментарии ниже.)

Иногда открытый ключ нужно буквально вводить руками, например, через “воздушный зазор”. Открытый ключ в ECDSA (и, кстати, в ГОСТ-подписи, но не только там) – это точка на кривой, заданной в параметрах. Речь тут про кривые, используемые в криптосистемах на практике, например, P-256. Координаты точки – это два числа X, Y (сторого говоря, два элемента соответствующего конечного поля, но это технические детали). Если разрядность 256 бит, то может показаться, что для передачи ключа придётся руками вводить 2*32 == 64 байта, что в hextext составит аж 128 знаков. Однако обычно можно ограничиться одной координатой X, а Y – вычислить из уравнения кривой. Такой способ кодирования называется сжатым представлением ключа. Единственная хитрость в том, что, так как в уравнение кривой Y входит в квадрате, координат, соответствующих данному X, пара. Это обратные по сложению элементы (всем привычные +/-). Поэтому нужно передать знак элемента, но для передачи знака достаточно одного дополнительного бита. Поэтому сжатое представление в два раза короче, но “разрядность ключа” при этом никак не страдает (страдают вычислительные затраты на принимающей ключ стороне, но этим часто можно пренебречь; иногда, впрочем, приключаются проблемы с обработкой заведомо неверных значений). Кстати, по этим же причинам ключи криптосистем с ed25519 короче в записи – они изначально “в сжатой форме”.

Некоторое время назад я написал утилиту, кодирующую произвольные байтовые значения в строки англосаксонских рун. Используется кодирование, эквивалентное Base32, но с алфавитом из рун. Алфавит, понятно, может быть любым, но в случае рун для отображения в привычных компьютерных системах потребуется поддержка Unicode.

Таблицы Unicode – весьма богатое нововведение. Unicode позволяет записывать в тексте числа древними шумерскими цифрами, вот так: 𒁹 𒌍𒐋 𒌋𒌋𒐈. (Если на вашем устройстве эти цифры не отображаются, то, вероятно, устройство не содержит подходящих шрифтов; такое всё ещё возможно; более того, мне пришлось столкнуться с существенными трудностями при размещении этой записки в WordPress – стандартный редактор данной CMS отказывался принимать соответствующие символы, пришлось применять некоторые хитрости).

В принципе, шумерская (вавилонская) система записи – позиционная, по основанию 60, но имеет свои особенности, создающие неоднозначности при интерпретации: там используется плавающая “шестидесятеричная точка”, которая не обозначается; кроме того, в классическом варианте, нет цифры для нуля. 𒁹 𒌍𒐋 𒌋𒌋𒐈, в зависимости от контекста, можно интерпретировать не только очевидным способом, как 5783 (1*60^2 + 36*60 + 23), но и, например, как 96.38333(3) (1*60 + 36 + 23/60). Клинописные цифры, соответствующие числам от 1 до 59, записывались засечками; так, 𒐈 – это 3, а 𒌋𒌋 – это 2*10, то есть, 20 (𒌋 обозначает 10). Unicode, – по крайней мере, в теории, – позволяет все эти засечки напечатать и вывести на экран компьютера в виде текста, благодаря наличию разнообразных кодовых таблиц, среди которых есть и таблица с шумерскими древними цифрами.

Именно засечки, штрихи и прочие дополнительные “чёрточки” (умляуты и тому подобные знаки) Unicode создают исключительные проблемы при преобразовании символов. Рассмотрим в качестве примера кириллическую букву “И” с “краткой”, то есть, “Й” (“кратка” – это чёрточка над “И”). Правила Unicode позволяют обозначить данную букву как одним кодом (Й), так и комбинацией из двух – из сочетания кода буквы “И” (без “кратки”) и отдельного кода, обозначающего “кратку”, который предусмотрен в Unicode. То есть, одна буква расщепляется на два представления! Фольклорное фонетическое восприятие букв сталкивается с универсальным “чисто топологическим” и с треском прогрывает последнему. Результат, вообще говоря, может доставить неожиданных проблем разработчику программного кода, выполняющего преобразования кодировок. Поэтому в тех случаях, когда нужно запись Unicode приводить к другим кодировкам, которые не сохраняют разделение по принципам начертания, используются те или иные соглашения о нормализации, предназначение которых состоит в том, чтобы согласованным способом привести наборы кодов к единому символу. Это один из самых нетривиальных моментов в практике Unicode.

Визирь поместил в тёмную комнату слона и позвал нескольких мудрецов, которые слона никогда не видели. Предупредив мудрецов о том, что в комнате слон, визирь предложил им пройти в комнату и “исследовать слона на ощупь”, а потом словами описать, какой он, этот загадочный слон. Посетившие комнату мудрецы сильно разошлись в своих описаниях слона: “он как толстое дерево”, “он как большая змея”, “он плоский, как лист пальмы”. Но слон-то был один, слон-то был един, а проблемы с предложенными его описаниями локализовались (во всех смыслах), как только визирь вывел животное из комнаты и представил взору мудрецов, но уже в статусе единого объекта.

Обычно считается, будто эта старинная и хорошо известная притча рассказывает о том, что есть различный частный опыт, а с другой стороны – большой единый слон, ощупыванием которого частный опыт создаётся. Это, однако, не так: фундаментальный смысл притчи в другом. Притча рассказывает, что настоящее осознание находится на уровне визиря, который затеял всё мероприятие, чтобы подшутить над мудрецами. Визирь-то хорошо понимает процесс, приводящий к рассечению образа единого слона на различные представления через ограниченные темнотой познавательные способности мудрецов. Уши, хобот, ноги – не так важно, на каком шаге комбинирования из них получается слон. Важно, что сам процесс онтологического спектакля, осознанный визирем, находится на таком высоком уровне абстракции, что в него не то что слон целиком вкладывается, но ещё и преобразования в локальные области точек зрения разных мудрецов, вместе с самими мудрецами и комнатой.

Если выбрать систему координат таким образом, что Солнце движется в ней прямолинейно со скоростью несколько сотен км/сек., то траектория Земли окажется кривой, напоминающей синусоиду. В этой системе координат Земля вовсе не “вращается вокруг Солнца”, в том “наивном” смысле, что не описывает окружность, в центре которой Солнце.

Для навигации на поверхности Земли – удобны другие системы координат, в которых Солнце вращается вокруг Земли, поскольку она зафиксирована. Расхожее утверждение, что “Земля вращается вокруг Солнца” – не более чем фигура речи, пусть и очень популярная. Например, для того, чтобы получить существенные вычислительные преимущества при предсказании астрономических событий Солнечной системы, наблюдаемых с Земли, самой по себе гелиоцентрической системы не достаточно, нужно ещё учитывать геометрию орбит планет, иначе потребуется, как и в развитом геоцентрическом случае, вводить множество дополнительных “параметров”, чтобы наблюдения как-то сходились с моделью.

Существенные искажения смысла, которые сейчас встречаются повсеместно (см. надавнюю записку про соцопрос), возможно, вызваны таким явлением, как упрощённый, массовый “научпоп”: почему-то стало принято считать, будто уровень знаний достиг таких высот, что всё вокруг, от движения планет и устройства космических телескопов до систем связи пятого поколения и превращений элементарных частиц в ускорителях, очень просто, легко и, главное, детально, объясняется “физикой за пятый класс”. Сама “физика за пятый класс” при этом никак не определяется, поскольку важным признаётся именно подход, подразумевающий эквивалентность простых “утверждений”, которые легко запомнить (без осознания), и “научной грамотности”.

Вернёмся к движению планет. То, что Солнце существенно больше Земли, а наблюдаемое движение светила по небу можно объяснить при помощи модели, в которой именно Земля движется вокруг, выяснили ещё древние греки. Но, скажем, измерение годичного параллакса звёзд, как подтверждение движения Земли по орбите, удалось произвести только в 19 веке. Следует ли считать, что до этого момента утверждение “Земля вращается вокруг Солнца” было всего лишь популярным обобщением? Нет, конечно. Это утверждение, в изолированной форме, и сейчас не несёт особого смысла. То есть, процесс выбора моделей мира был длительным, непростым, и не сводился к тому, как сейчас нередко принято объяснять: “Коперник открыл, что Земля вращается вокруг Солнца”. Никаких особенных причин утверждать, что именно Земля движется, нет, а практическое удобство гелиоцентрических систем совсем в другом.

Но главное полезное наблюдение состоит не в этом. Так, в разных системах отсчёта, в разных системах координат, движение светил будет описываться различными формулами, которым соответствуют различные траектории. Результаты нередко выглядят неожиданными: например, траектория Луны, движушейся вокруг Солнца, очень близка к окружности. Действительно, от одной формулы можно перейти к другой. Именно на этом уровне и образуется новое знание, отличающееся от простого заучивания кратких “утверждений”. Это знание позволяет понять, почему разные системы отсчёта, представленные в наивном виде (“Земля вращается вокруг Солнца”), как бы “противоречат” друг другу. То есть, знание, – по крайней мере, математическое, – здесь соответствует механизму разрешения противоречий. Этот механизм находится на пару уровней выше утверждения “Земля вращается вокруг Солнца”. Естественно, астрономические успехи связаны с определением и строгим формулированием элементов этого механизма. На первом этапе – понимание того, что наблюдаемая картина движения светил может быть интерпретирована различными способами. На втором – создание логических конструкций, позволяющих вычленить существенные характеристики того, как различные модели переходят одна в другую, с сохранением наблюдаемого результата. И уже на третьем этапе – выяснение причин такого перехода и их строгое описание. Простое утверждение “Солнце вращается вокруг Земли” не играет сколь-нибудь значительной роли, гораздо важнее понимание того, что подразумевается под “вращением”, насколько это понятие универсально.

“Коммерсант” пишет про результаты соцопроса, которые связывает, ни много ни мало, с “уровнем научной грамотности” (“невысоким”).

“Как показал опрос ВЦИОМа, 35% россиян считают, что Солнце вращается вокруг Земли. О том, что Земля вращается вокруг Солнца, знает 61% респондентов.”

Понятно, что влияет массовый “научпоп”, а опрос – манипулятивный, но всё равно довольно забавно читать выводы о “научной грамотности”, сделанные по результатам ответа на довольно бессмысленный вопрос, который был сформулирован следующим образом: “Согласны ли вы с утверждением: «Солнце вращается вокруг Земли»?”. Проблема в том, что интерпретация предложенного утверждения зависит от используемой модели и системы координат. Так, можно выбрать систему с зафиксированной Землёй в начале координат и, в таком случае, Солнце вращается вокруг Земли. Подобная система оказывается удобной при решении определённых задач. Можно выбрать систему, где началом координат является Солнце, а Земля движется вокруг – такая система хорошо подходит для других задач. А можно привязать начало координат к какому-нибудь далёкому пульсару. Но все эти хитрости не делают конкретную систему “истинной” настолько, чтобы с ней соглашаться или нет. Поэтому, если уж и судить о “научной грамотности”, то, скорее, как раз по высокой доле “неочевидных” ответов.

Запись чисел при помощи цифр различных систем счисления нередко приводит к недопониманию у тех, кто не очень хорошо представляет себе разницу между числами и их записью. Например, могут предположить, что 11 и 0x11 (в шестнадцатеричной записи, далее такая запись обозначается привычным префиксом) это одно и то же число, ну, как 7 и 0x7. Нетрудно наткнуться и на смешение свойств числа и его записи: то есть, на неверное представление о том, что какие-то свойства чисел соответствуют именно записи (запутывающее сочетание 0x100 == 2^8). Впрочем, всё это не мешает занимательным свойствам позиционных систем счисления интересным образом преобразовываться при переходе от одной системы к другой, сохраняя именно запись (то есть, цифры).

Так, если 1001001 умножить на 321, то получим 321321321. Почему? Очевидно: мы умножаем (10^6 + 10^3 + 10^0) на (10^2*3 + 10^1*2 + 10^0*1), то есть (10^6 + 10^3 + 10^0)*321. Известный, пусть и не очень широко, факт: всякое число, содержащие ровно три одинаковых тройки цифр в своей записи, делится на 333667. Примеры:
321321321/333667 == 963 == 3^2 * 107
111111111/333667 == 333 == 3 * 111
701701701/333667 == 2103 == 3 * 701

(Конструкция, конечно, переносится и на кратные записи, то есть, когда количество триплетов кратно трём.)

Выглядит занимательно. Причина в том, что на 333667 делится 1001001 == 3*333667. А 333667 – простое число. В записи 333667 нетрудно увидеть поразрядные “переносы единицы” при умножении на три. Можно ли найти число с такими же свойствами в шестнадцатеричной записи? Можно. Если в десятичной записи 3*3 == 9 == 10 – 1, где 10 – основание системы, то в шестнадцатеричной аналогом будет 3*5 == 15 == 0x10 – 1. Обратите внимание, что здесь 0x10 шестнадцатеричная запись числа 16, основания системы. Число другое, но нам здесь важны как раз некие свойства записи (а именно – позиция единицы). Искомое число – 0x555aab. Заметьте, что шестнадцатеричное 0xa равно 10 в десятичной системе, то есть, 5*2 (так же как и 3*2 == 6). Проверяем: 0x555aab * 0x3 == 0x1001001 (но это 16781313 в десятичной записи). Поэтому 0x321321321 делится на 0x555aab, а результат равен 0x963 (см. примеры в десятичной системе выше). Однако найденное нами “опорное” число хоть и полностью подходит по “свойствам” записи, но является составным: 0x13*0x25*0x49*0x6d == 0x555aab.

А вот в восмеричной системе ситуация иная. Число 0o1001001 (префикс 0o – обозначает восмеричную запись) – простое, а именно – 262657 == 8^6 + 8^3 + 8^0. Поэтому не получится найти делитель, который подходил бы для построения конструкции, аналогичной десятичной и шестнадцатеричной системам. Интересно, что число 46656216001 == 60^6 + 60^3 + 60^0 тоже простое. Это означает, что и в древней шестидесятеричной системе конструкция не сработает. Что ж, зато в десятичной системе 296296296296296296296296296/333667 == 888000000888000000888. Проверьте на калькуляторе.