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欧氏格

Euclidean lattice · 几何数论格 · 点格

内积空间中由线性无关向量的整数线性组合构成的离散加法子群。

条目类型
定义

形式陈述

V 是有限维实内积空间b1,,bkV 线性无关。它们生成的秩 k 欧氏格

Λ=L(B)=BZk={i=1kzibi:ziZ},

其中 B:RkV 的第 i 列是 bi。格的实张成空间记为 VΛ=spanRΛ;它的维数与秩同为 k,却未必等于环境空间的维数。密码学里常取 V=Rn,但低秩格仍应在自己的 VΛ 内讨论体积、对偶与最近点。

等价地,欧氏格是 V 的离散加法子群:每个有界集合只含有限多个格点。有限生成与离散性缺一不可;若允许生成向量实线性相关,整数线性组合未必离散。格本身是点集与加法群,不连同某一组生成向量;具体的格基只是它的一种坐标表示。

线性无关如何推出离散性可以定量看见。给 VΛ 选正交坐标后,满列秩矩阵 B 的最小奇异值 σmin(B)>0,所以

Bz2σmin(B)z2.

半径 R 球内的格点只能来自 z2R/σmin(B) 的整数坐标,而这样的 z 有限。这个论证也说明,坏条件基会让坐标范围看起来很大,却不会破坏格点集本身的离散性。

这里的“格”是几何数论中的 lattice。序理论里的 lattice 要求任意两元素存在交与并,结构由偏序运算决定;两者共享译名,却没有一般的包含关系。本页用“欧氏格”明确区分术语,而不把这种辨析误写成数学上的相反概念。

直觉

欧氏格把连续空间打上周期性刻度。沿每个 bi 只能走整数步,所以局部看见的是彼此隔开的点;允许实系数后,这些方向才填满 VΛ。这正好把两类信息分开:内积给长度和角度,整数系数给算术刚性。

一个基本平行多面体

P(B)={Bt:t[0,1)k}

为每个陪集 x+Λ 选出一个代表。空间被平移副本 P(B)+λ 铺满,边界虽可能共享,内部不会重叠。格问题因此常在两种视角间切换:局部寻找短点,或把任意点约化到一个基本区域。

离散性还意味着存在最小间隔。若 Λ{0},则非零长度集合在零附近没有聚点,故最短非零向量长度为正。这个性质让“短于某阈值的所有格点”成为有限集合,也是解码半径能够按最短向量刻画的原因。

例子与边界

R2 中取

B=(2103),Λ={(2u+v,3v):u,vZ}.

(5,3) 对应 (u,v)=(2,1),而 (1,0) 不在格中:第二坐标迫使 v=0,第一坐标便必须是偶数。基本平行四边形由 (2,0)(1,3) 张成;把 x=(6.4,4.2) 写成 Bt 后逐坐标减去 t,即可把它移回 P(B)。这个约化只找陪集代表,并不自动给出离 x 最近的格点。

低秩例子是 Λ=Z(2,0,2)R3。它的环境有三维,格却只有一维;任何余体积或对偶计算都应在直线 VΛ 中完成。把垂直于该直线的任意向量也算进对偶,会得到连续方向,从而不再是同秩格。

线性无关条件不能随意删除。在 R 中,G=Z+2Z 由两个元素有限生成,却因存在任意好的有理逼近 |pq2|0 而在零附近有非零点;G 不是欧氏格。反过来,有限集合如 {0,1} 虽离散,却不是加法子群。

推论与应用

选择基以后,欧氏格可用整数矩阵运算表示;改变基只允许行列式为 ±1 的整数坐标变换。格行列式测量一个基本区域的内在体积,对偶格记录所有对格点取整数值的线性频率。二者都属于格本身,不能依赖绘图时偶然选择的基。

最短向量、最近向量与有界距离解码分别问格中“离零最近”“离目标最近”以及承诺半径内的唯一最近点。密码学归约还会构造带同余约束的 q-ary 格,并在其上使用离散高斯。所有这些后继都复用本页的三个约定:实内积、整数生成、以及低秩时只在 VΛ 内做几何。

正交变换保持全部长度、角度和余体积,因此把格旋转后得到的是等距格;整体缩放 cΛ 则把长度乘 |c|、把秩 k 余体积乘 |c|k。这两类变换常用于归一化证明,但只有正交变换保持原来的数值尺度,缩放后的密码参数必须同步调整。

参考资料
  • Daniele Micciancio and Shafi Goldwasser, Complexity of Lattice Problems: A Cryptographic Perspective, Kluwer, 2002, Ch. 1。
  • Phong Q. Nguyen and Brigitte Vallée (eds.), The LLL Algorithm: Survey and Applications, Springer, 2010, Ch. 1。
  • J. W. S. Cassels, An Introduction to the Geometry of Numbers, Springer, 1959, Ch. I。
关系图谱14 个相邻概念 · 1 类关系

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