Python 矩陣加密解密與布林運算元捷徑

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Python 提供了簡潔易用的語法來實作矩陣加密與解密。透過矩陣的轉置操作，可以有效地混淆訊息內容，達到加密的效果。解密過程則需要反轉加密步驟，還原始訊息。布林運算元 and 和 or 的捷徑特性可以有效提升程式碼執行效率，避免不必要的運算。例如，在 and 運算中，若第一個條件為假，則可以直接判斷整個表示式為假，無需計算第二個條件。同樣地，在 or 運算中，若第一個條件為真，則可以直接判斷整個表示式為真。瞭解這些特性可以幫助開發者編寫更精簡、高效的程式碼，並避免潛在的錯誤。此外，文章也介紹瞭如何使用字典來儲存英文單詞，並利用其快速查詢的特性來判斷一段文字是否為英文，這在自然語言處理等領域具有廣泛的應用價值。

矩陣加密演算法與解密程式實作

本章節將介紹如何使用 Python 實作矩陣加密演算法及其解密程式。矩陣加密是一種簡單而有效的加密技術，透過重新排列明文的字元來實作加密。

解密矩陣加密訊息

解密矩陣加密訊息需要了解加密時使用的金鑰（即矩陣的列數）。以下是一個簡單的解密程式範例：

import math

def decrypt_message(ciphertext, key):
    # 計算需要多少列
    num_columns = math.ceil(len(ciphertext) / key)
    num_rows = key
    num_shaded_boxes = (num_columns * num_rows) - len(ciphertext)

    plaintext = [''] * num_columns
    col = 0
    row = 0

    for symbol in ciphertext:
        plaintext[col] += symbol
        col += 1
        if (col == num_columns) or (col == num_columns - 1 and row >= num_rows - num_shaded_boxes):
            col = 0
            row += 1

    return ''.join(plaintext)

# 範例使用
ciphertext = "Cenoonommstmme oo snnio. s s c"
key = 8
print(decrypt_message(ciphertext, key))

內容解密：

  1. math.ceil(len(ciphertext) / key) 用於計算解密所需的列數。
  2. 解密過程中，遍歷密鑰並根據金鑰重新排列字元，以還原明文。
  3. 最後，使用 ''.join(plaintext) 將解密後的字串接成完整的明文訊息。

布林運算元的捷徑：and 與 or 運算元

在程式設計中，and 和 or 運算元不僅可以用於布林邏輯判斷，還具有捷徑（short-circuit）的特性。這意味著當第一個運算元已經能夠決定整個表示式的結果時，第二個運算元將不會被評估。

and 運算元的捷徑行為

當使用 and 運算元時，如果第一個條件為 False，則無需評估第二個條件，因為整個表示式必定為 False。這種特性可以用於避免不必要的運算或錯誤。

def check_value(x):
    if x > 0 and x / (x - 1) > 2:
        return True
    return False

# 當 x = 1 時，第一個條件 x > 0 為 True，但第二個條件 x / (x - 1) > 2 將引發除以零的錯誤
# 由於第一個條件為 True，因此會繼續評估第二個條件，從而導致錯誤
print(check_value(1))  # 這將引發 ZeroDivisionError

# 修改後的版本，利用 and 的捷徑特性避免除以零的錯誤
def check_value_modified(x):
    if x != 1 and x > 0 and x / (x - 1) > 2:
        return True
    return False

print(check_value_modified(1))  # 正確傳回 False，避免了除以零的錯誤

內容解密：

  1. x != 1 的檢查：首先檢查 x 是否等於 1，避免後續的除法運算引發錯誤。
  2. x > 0 的檢查：確保 x 是正數，符合第一個條件。
  3. x / (x - 1) > 2 的檢查：在前兩個條件都滿足的情況下，進行除法運算並比較結果。

布林運算元的運算順序

布林運算元的運算順序對於理解複雜的邏輯表示式至關重要。通常，not 運算元的優先順序最高，其次是 and，最後是 or。瞭解這些優先順序有助於正確地寫出邏輯表示式。

# 示範布林運算元的運算順序
print(True or False and False)  # 輸出 True，因為 and 的優先順序高於 or

內容解密：

  1. False and False 首先被評估：由於 and 的優先順序較高，因此先計算 False and False，結果為 False。
  2. True or False 被評估：接著評估 True or False，結果為 True。

練習題：第 9 章，C 組

為了鞏固對布林運算元和邏輯表示式的理解，建議完成第 9 章的練習題 C 組。

第 10 章：編寫程式測試我們的程式

本章節將探討如何編寫測試程式來驗證我們的程式是否正確。

置換密碼測試程式的原始碼

以下是一個用於測試置換密碼程式的範例程式碼。

import random

def test_transposition_cipher():
    # 生成隨機訊息進行測試
    message = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ' * random.randint(4, 40)
    message = list(message)
    random.shuffle(message)
    message = ''.join(message)

    # 使用置換密碼加密和解密訊息
    encrypted = transposition_encrypt(message, key)
    decrypted = transposition_decrypt(encrypted, key)

    # 驗證解密後的訊息是否與原始訊息一致
    if message != decrypted:
        print('測試失敗！')
        print(f'原始訊息：{message}')
        print(f'解密後的訊息：{decrypted}')
    else:
        print('測試透過！')

# 使用隨機金鑰進行測試
key = random.randint(1, len(message))
test_transposition_cipher()

內容解密：

  1. random.randint(4, 40) 生成隨機重複次數：將字母表重複隨機次數，以生成測試訊息。
  2. random.shuffle(message) 打亂訊息：隨機打亂訊息內容，以模擬真實的輸入。
  3. transposition_encrypt 和 transposition_decrypt：分別對訊息進行加密和解密。
  4. if message != decrypted 的檢查：驗證解密後的訊息是否與原始訊息一致，以確保加密和解密過程正確。

第 11 章：加密和解密檔案

本章節將探討如何對檔案進行加密和解密操作。

置換檔案密碼程式的原始碼

以下是一個用於對檔案進行置換密碼加密和解密的範例程式碼。

def transposition_file_cipher(filename, key, mode):
    # 讀取檔案內容
    with open(filename, 'r') as file:
        content = file.read()

    # 根據模式進行加密或解密
    if mode == 'encrypt':
        result = transposition_encrypt(content, key)
    elif mode == 'decrypt':
        result = transposition_decrypt(content, key)

    # 將結果寫入新檔案
    output_filename = f'{filename}.cipher' if mode == 'encrypt' else f'{filename}.plain'
    with open(output_filename, 'w') as output_file:
        output_file.write(result)

# 使用範例
transposition_file_cipher('example.txt', 5, 'encrypt')
transposition_file_cipher('example.txt.cipher', 5, 'decrypt')

內容解密：

  1. with open(filename, 'r') as file：以讀取模式開啟檔案並讀取其內容。
  2. transposition_encrypt 和 transposition_decrypt：根據指定的模式對檔案內容進行加密或解密。
  3. with open(output_filename, 'w') as output_file：將加密或解密後的結果寫入新的檔案中。

第12章 - 以程式自動偵測英文

電腦如何理解英文？……………………………………………………………………………………………………………………………… 167

練習題，第12章，A節 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 169

Detect English模組 …………………………………………………………………………………………………………………………. 169

Detect English模組原始碼 ……………………………………………………………………………………………………………. 169

如何運作程式………………………………………………………………………………………………………………………………………. 170

字典與字典資料型態 …………………………………………………………………………………………………………………………. 171

在字典中新增或變更專案 ………………………………………………………………………………………………………………. 172

練習題，第12章，B節 ………………………………………………………………………………………………………………….. 173

使用len()函式處理字典 ……………………………………………………………………………………………………………………… 173

使用in運算元處理字典 …………………………………………………………………………………………………………………. 173

使用for迴圈處理字典 ………………………………………………………………………………………………………………….. 174
練習題，第12章，C節 ………………………………………………………………………………………………………………….. 174

字典與串列的差異 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 174

使用字典比串列更快找到專案 ………………………………………………………………………………………………………….. 175

split()方法 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 175
None值 ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 176

回到程式碼 ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 177

“除以零”錯誤 ………………………………………………………………………………………………………………………………. 179

float()、int()和str()函式以及整數除法 ……………………………………………………………………………………… 179
練習題，第12章，D節 ………………………………………………………………………………………………………………….. 180

回到程式碼 ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 180

append()串列方法 ………………………………………………………………………………………………………………………… 182

預設引數 ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 183
計算百分比…………………………………………………………………………………………………………………………………… 184

####### 練習題，第12章，E節 ………………………………………………………………………………………………………………….. 185

Detect English模組詳解

Detect English模組主要用於判斷一段文字是否為英文。本章節將探討該模組的實作細節。

原始碼解析

def is_english(text):
    # 判斷文字是否為英文
    # 詳細實作省略
    pass

#### 內容解密：

此函式is_english用於判斷輸入的text是否為英文。具體實作包括但不限於統計字母出現頻率、檢查單詞是否存在於字典中等等。

字典資料結構的重要性

字典是一種極為重要且有效率的資料結構，特別是在需要快速查詢的場景下。

#### 內容解密：

  1. 字典的定義：字典是一種可變的資料型別，用於儲存對映（key-value pairs）。
  2. 字典的操作：包括新增、修改、刪除專案等。
  3. 效率分析：相比於串列，字典在查詢專案時具有明顯的速度優勢。

程式碼中的關鍵部分

# 示範使用字典儲存英文單詞
english_words = {}
# 載入英文單詞至字典
# 詳細實作省略
pass

def check_english(text):
    words = text.split()
    for word in words:
        if word not in english_words:
            return False
    return True

#### 內容解密：

  1. english_words字典：用於儲存英文單詞。
  2. check_english函式：透過檢查輸入文字中的每個單詞是否存在於english_words字典中來判斷文字是否為英文。
  3. split()方法：用於將文字分割成單詞串列。

常見錯誤與除錯

  1. “除以零”錯誤：在進行除法運算時，務必檢查分母是否為零。
  2. 型別轉換錯誤：使用float()、int()和str()函式時需注意資料型別的正確性。

#### 內容解密：

  • 錯誤範例：numerator / denominator 當denominator為零時會引發錯誤。
  • 正確做法：先檢查denominator是否為零。
玄貓 BlackCat

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。