Том 6. Четвертое измерение. Является ли наш мир тенью другой Вселенной? - [10]

Эта диаграмма показывает, что пространство положений колеса, которое катится без скольжения по плоской поверхности, имеет четыре измерения. Координаты точек — х, у, α, Θ. Первые две, х и у, описывают точку касания колеса с плоскостью. Угол α является углом вращения вокруг продольной оси, а Θ — углом поворота.

Большинство областей науки (физика, астрономия, экономика, биология, медицина, машиностроение и многие другие) используют многомерные пространства.

Значение такого подхода заключается в том, что он позволяет нам оперировать геометрическими и математическими инструментами для получения полезной информации по изучаемому объекту или для выявления его интересных применений. Рассмотрим два ярких примера, которые показывают полезность этих методов в нашей повседневной жизни.

Шифрование сообщений

Мобильные телефоны, интернет, цифровые телевизоры, музыкальные компакт-диски, фильмы на DVD, цифровая идентификация — все это зависит от шифрования данных и их последующей расшифровки. В этом процессе обнаружение и исправление ошибок является важным элементом.

В наш цифровой век шифрование сообщений, будь то изображение, музыка или текст, требует перевода информации в последовательности нулей и единиц. Это называется двоичным шифрованием (каждый 0 или 1 называется бит — сокращение от английского выражения «двоичная цифра»). Такие последовательности делятся на «слова» фиксированной длины, которую мы обозначим k. Строки из 4 бит (содержащие 4 цифры) называют шестнадцатеричными цифрами. Всего существует 24 = 16 таких цифр, а строки из 8 бит называются байтами (их 28 = 256 штук).

Кодировка ASCII содержит 256 возможных кодов для выражения различных символов, другими словами, с помощью этих кодов можно закодировать 256 печатных символов. Бит каждого «слова» можно рассматривать как координату, хотя она принимает только значения 0 и 1. Каждое «слово» из k бит представляет собой точку в координатном пространстве размерности k, другими словами, количество размерностей равно длине слов. Например, шестнадцатеричное слово ООН отождествляется с точкой (0, 0, 1, 1) четырехмерного координатного пространства. В этом пространстве можно задать расстояние — способ измерения, насколько далеко друг от друга находятся точки (двоичные «слова») этого геометрического пространства.

Например, так называемое расстояние Хэмминга между двумя словами определяется количеством цифр, которыми эти слова различаются (так, слова ООН и 1011 находятся на расстоянии 1). В этом координатном пространстве мы можем использовать все математические инструменты арифметики, алгебры, анализа и геометрии.

Однако все не так просто, учитывая, что при передаче данных — со спутника или по электронной почте — или при чтении зашифрованных данных (например, на музыкальных компакт-дисках) могут возникнуть ошибки. В этой ситуации у нас имеется две проблемы: возможно, мы не знаем, что полученная информация является ошибочной, а также мы не знаем, какие биты неправильны. Поэтому приходится использовать дополнительные контрольные коды, увеличивая длину слов и, следовательно, размерность координатного пространства.

Пример кода, который помогает обнаружить ошибки, — это испанский налоговый идентификационный номер, содержащий дополнительную букву, которая генерируется с помощью математической формулы. Таким образом, если хотя бы одна цифра номера будет неверной, то буква будет отличаться от нужной, что и поможет выявить ошибку.

Самокорректирующийся код американского инженера Ричарда Уэсли Хэмминга устроен так: к каждому шестнадцатеричному слову с помощью математического алгоритма добавляются еще три бита (например, слово ООП превратится в 0011101). К тому же, этот код способен исправить ошибку в одном из битов слова.

Код Хэмминга очень прост, но существуют и другие, гораздо более сложные коды обнаружения и исправления ошибок. Например, код Рида — Соломона, который используется в компакт-дисках и в телеметрии с гражданских спутников, где применяются 65- и 265-битовые слова соответственно, то есть каждое слово представляет собой точку в координатном пространстве с 65 и 265 измерениями. Таким образом, использование математического аппарата в координатном пространстве оказывается очень полезным, особенно при создании кодов для обнаружения и исправления ошибок.

Поисковая система Google

В настоящее время поисковая система Google стала одним из основных инструментов поиска в интернете, и у нее огромное количество пользователей. Одной из причин такого успеха является ее эффективность, так как для каждого поискового запроса система быстро выдает упорядоченный список результатов, и первые из них, как правило, содержат то, что мы ищем. Способ упорядочивания результатов поиска, то есть присвоения числового рейтинга каждой странице, использует сложную математику — смесь линейной алгебры, теории графов и теории вероятностей.

При разработке поисковых систем, подобных системе Google, приходится решать и математические, и технические задачи. Другими словами, главный вопрос заключается в том, как упорядочить результаты поиска. Можно предположить, что рейтинг определенной веб-страницы зависит от количества других страниц, ссылающихся на нее. Однако существуют страницы, на которые мало ссылок, но которые очень важны для данного поиска. Поэтому такая модель невыгодна для пользователей. К тому же она может быть легко использована веб-сайтами для искусственного повышения рейтинга.