马氏链平稳分布存在与唯一性的简洁证明与计算

本文考虑可数状态离散时间齐次马氏链平稳分布的存在与唯一性.放弃以往大多数文献中要求马氏链是不可约,正常返且非周期(即遍历)的条件,本文仅需要马氏链是不可约和正常返的(但可能是周期的,因而可能是非遍历的).在此较弱的条件下,本文不仅给出了平稳分布存在与唯一性的简洁证明,而且还给出了平稳分布的计算方法.

基于等价无穷小及导数定义的洛必达法则的简洁证明及几何意义

洛必达法则的证明方法,教材以柯西中值定理为证明依据,证明方法较难理解。这里介绍两种不同的证明。本文分别利用导数的定义、等价无穷小,结合连续的定义,给出不同于教材的证明。两种证明方法具有运用知识简单,直接明了的特点。

关于Lucas猜想的简洁初等证明

利用简洁初等方法证明了Lucas方程x(x + 1) ( 2x + 1) =6y2 仅有正整数解 (x ,y) =( 1,1) ,( 2 4,70 ) ,获得了丢番图方程x(x+ 1) ( 2x + 1) =2py2

zk-SNARK中数论变换的硬件加速方法研究

简洁非交互式零知识证明能够生成长度固定的证明并快速进行验证,极大地推动了零知识证明在数字签名、区块链及分布式存储等领域的应用。但其证明的生成过程极其耗时且需要被频繁调用,其中数论变换是证明生成过程的主要运算之一。然而现有的通用数论变换硬件加速方法难以满足其在简洁非交互式零知识证明中大规模、高位宽的要求。针对该问题,提出一种数论变换多级流水硬件计算架构。针对高位宽计算需求对高位模运算进行优化,设计了低时延蒙哥马利模乘单元;为了加速大规模计算,通过二维子任务划分将大规模数论变换任务划分为小规模独立子任务,并通过消除数据依赖实现了子任务间计算流水;在子任务多轮蝶形运算之间采用数据重排机制,有效缓解了访存需求并实现了不同步长蝶形运算间的计算流水。所提出的数论变换计算架构可以根据现场可编程门阵列(FPGA)片上资源灵活扩展,方便部署在不同规模的FPGA上以获得最大加速效果。所提出的硬件架构使用高层次综合(HLS)开发并基于OpenCL框架在AMD Xilinx Alveo U50实现了整套异构加速系统。实验结果表明,相比于PipeZK中的数论变换加速模块,该方法获得了1.95倍的加速比;在运行当前主流的简洁非交互式零知识证明开源项目bellman时,相比于AMD Ryzen 95900X单核及12核分别获得了27.98倍和1.74倍的加速比,并分别获得了6.9倍、6倍的能效提升。

PreNTT:面向zk-SNARK的数论变换计算并行加速方法

简洁非交互式零知识证明(zk-SNARK)由于具备证明验证过程简捷快速的优点,已在加密货币等众多领域得到广泛应用。但其证明生成过程所需计算仍复杂耗时,影响了进一步的应用拓展。针对zk-SNARK证明生成过程中的主要计算瓶颈——数论变换(NTT),提出了一种基于GPU的NTT计算加速方法PreNTT。首先,提出了基于预计算的NTT并行计算方法,利用预计算与旋转因子次幂算法优化,减少NTT并行计算开销,并结合动态预计算,进一步提高NTT计算效率。其次,通过“动态自适应计算核调度”,可以根据NTT输入规模自适应地分配GPU片上资源,提升了大规模NTT任务的计算能效。然后,通过核外整体数据混洗和核内局部数据混洗相结合的方式,避免了访存冲突。最后,使用CUDA多流技术执行数据传输和计算过程,对预计算时间进行了有效隐藏。实验结果表明:基于PreNTT实现的zk-SNARK系统,与目前业界最先进的系统Bellperson相比,NTT模块运行时间获得了全规模最低1.7倍的加速比,最高加速比为9倍。PreNTT能够有效提高NTT算法并行度,降低zk-SNARK运算时间开销。

基于GPU的zk-SNARK中多标量乘法的并行计算方法

针对zk-SNARK(zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge)中计算最为耗时的多标量乘法(multiscalar multiplication,MSM),提出了一种基于GPU的MSM并行计算方案。首先,对MSM进行细粒度任务分解,提升算法本身的计算并行性,以充分利用GPU的大规模并行计算能力。采用共享内存对同一窗口下的子MSM并行规约减少了数据传输开销。其次,提出了一种基于底层计算模块线程级任务负载搜索最佳标量窗口的窗口划分方法,以最小化MSM子任务的计算开销。最后,对标量形式转换所用数据存储结构进行优化,并通过数据重叠传输和通信时间隐藏,解决了大规模标量形式转换过程的时延问题。该MSM并行计算方法基于CUDA在NVIDIA GPU上进行了实现,并构建了完整的零知识证明异构计算系统。实验结果表明:所提出的方法相比目前业界最优的cuZK的MSM计算模块获得了1.38倍的加速比。基于所改进MSM的整体系统比业界流行的Bellman提升了186倍,同时比业界最优的异构版本Bellperson提升了1.96倍,验证了方法的有效性。

一道竞赛题的另证与推广

对2011年女子数学奥林匹克竞赛不等式证明题给出了一个新颖简洁的证明;同时得出了这个竞赛不等式的一个加强;最后得到此类问题的n元推广.

学生自我探究的一个案例

学生主动提出问题并进行自我探究,终于使问题得以解决.教师及时给予肯定和赞赏,从而引起多位同学的探究热情,并得到统一的简洁解决方法.整个案例实施过程中,教师不失时机地进行总结和演讲,使得学生群情激昂、思维专注,从而得到两点启示.