形式陈述
设 是实内积空间中的秩 格,。它的对偶格定义为
把 限制在 是定义的实质部分。若 是格基,则
方阵情形才可简写为 。公式可直接验证:若 、 且 ,则 ;反过来,与每个 的配对都是整数便给出唯一的 。因此 没有漏掉对偶点。由 Gram 余体积公理库格行列式Lattice determinant · Lattice covolume · 格余体积欧氏格基本平行多面体在其实张成空间中的内在体积。公式可得
若 ,则称格为整数格,此时 ;若进一步相等才称自对偶或幺模格。只有余体积等于 并不足以推出这些配对条件。
直觉
对偶格收集所有在原格上具有整数周期的线性频率。对 ,字符 在平移 下不变;因此原格越稀,允许的频率刻度越密,余体积恰好互为倒数。
基向量 的作用类似坐标读出器:。给定 ,与 配对便读出整数坐标 。这说明对偶不是把各基向量简单取倒数;非正交基需要先逆转整个 Gram 矩阵,夹角信息不能省略。
Poisson 求和把原格上的函数求和变成对偶格上的 Fourier 变换求和。平滑参数和格上离散高斯之所以反复出现 ,正因为短对偶向量对应衰减最慢、最难被高斯抹平的非平凡频率。
例子与边界
取低秩格
条件 对所有 成立,当且仅当 ,故
原格余体积为 ,对偶余体积为 。若错误地允许任意 ,第二坐标 完全不受约束,所得集合含连续直线而不是格;这正是 span 限制不可省的原因。
非正交例子取 。计算
两列分别为 与 ,都与原基列整数配对。逐列把坐标做“分量倒数”显然得不到这一答案。
最后, 的余体积是 ,但 。因此“det = 1”只给体积必要条件;没有整数 Gram 配对,不能称自对偶。
推论与应用
对偶把包含方向反转:若 是同秩子格,则 。原格增加点会给整数配对施加更多约束,所以对偶点变少。指数也保持:。
缩放同样反向:。原格长度乘 时,对偶频率长度除以 ,两边余体积的乘积仍为一。这个量纲检查可迅速发现 smoothing 参数或 Fourier 公式中把 与 写反的错误。
格平滑参数公理库格平滑参数Lattice smoothing parameter · Smoothing parameter · 格的平滑参数使全部非零对偶频率的 Gaussian 质量降到给定误差预算以下的最小尺度。用 上的 Gaussian 质量定义;格上离散高斯公理库格上离散 Gaussian 分布Discrete Gaussian over a lattice · Lattice Gaussian distribution · 格 Gaussian 分布以 Gaussian 质量归一化后定义在格或格陪集上的离散概率分布。的归一化、模格近均匀性与采样分析则借助 Poisson 求和。Ring-LWE 中还会用数域的迹配对及 codifferent 形成代数对偶,此时“系数向量点积”只有在选定嵌入和基后才是正确表示。
参考资料
- Daniele Micciancio and Shafi Goldwasser, Complexity of Lattice Problems: A Cryptographic Perspective, Kluwer, 2002, Sec. 1.2。
- Oded Regev, “Lecture Notes on Lattices in Computer Science,” 2009, Lecture 2。
- Chris Peikert, “A Decade of Lattice Cryptography,” Foundations and Trends in Theoretical Computer Science 10(4), 2016, Sec. 2。