Merged slides from presentation-slides branch
[cipher-training.git] / slides / alternative-plaintext-scoring.html
diff --git a/slides/alternative-plaintext-scoring.html b/slides/alternative-plaintext-scoring.html
new file mode 100644 (file)
index 0000000..d6f4aa1
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,244 @@
+<!DOCTYPE html>
+<html>
+  <head>
+    <title>Alternative plaintext scoring</title>
+    <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8"/>
+    <style type="text/css">
+      /* Slideshow styles */
+      body {
+        font-size: 20px;
+      }
+      h1, h2, h3 {
+        font-weight: 400;
+        margin-bottom: 0;
+      }
+      h1 { font-size: 3em; }
+      h2 { font-size: 2em; }
+      h3 { font-size: 1.6em; }
+      a, a > code {
+        text-decoration: none;
+      }
+      code {
+        -moz-border-radius: 5px;
+        -web-border-radius: 5px;
+        background: #e7e8e2;
+        border-radius: 5px;
+        font-size: 16px;
+      }
+      .plaintext {
+        background: #272822;
+        color: #80ff80;
+        text-shadow: 0 0 20px #333;
+        padding: 2px 5px;
+      }
+      .ciphertext {
+        background: #272822;
+        color: #ff6666;
+        text-shadow: 0 0 20px #333;
+        padding: 2px 5px;
+      }
+       .float-right {
+        float: right;
+      }
+    </style>
+  </head>
+  <body>
+    <textarea id="source">
+
+# Alternative plaintext scoring methods
+
+---
+
+# Back to frequency of letter counts
+
+Letter | Count
+-------|------
+a | 489107
+b | 92647
+c | 140497
+d | 267381
+e | 756288
+. | .
+. | .
+. | .
+z | 3575
+
+Another way of thinking about this is a 26-dimensional vector. 
+
+Create a vector of our text, and one of idealised English. 
+
+The distance between the vectors is how far from English the text is.
+
+---
+
+# Vector distances
+
+.float-right[![right-aligned Vector subtraction](vector-subtraction.svg)]
+
+Several different distance measures (__metrics__, also called __norms__):
+
+* L<sub>2</sub> norm (Euclidean distance): 
+`\(\|\mathbf{a} - \mathbf{b}\| = \sqrt{\sum_i (\mathbf{a}_i - \mathbf{b}_i)^2} \)`
+
+* L<sub>1</sub> norm (Manhattan distance, taxicab distance): 
+`\(\|\mathbf{a} - \mathbf{b}\| = \sum_i |\mathbf{a}_i - \mathbf{b}_i| \)`
+
+* L<sub>3</sub> norm: 
+`\(\|\mathbf{a} - \mathbf{b}\| = \sqrt[3]{\sum_i |\mathbf{a}_i - \mathbf{b}_i|^3} \)`
+
+The higher the power used, the more weight is given to the largest differences in components.
+
+(Extends out to:
+
+* L<sub>0</sub> norm (Hamming distance): 
+`$$\|\mathbf{a} - \mathbf{b}\| = \sum_i \left\{
+\begin{matrix} 1 &amp;\mbox{if}\ \mathbf{a}_i \neq \mathbf{b}_i , \\
+ 0 &amp;\mbox{if}\ \mathbf{a}_i = \mathbf{b}_i \end{matrix} \right. $$`
+
+* L<sub>&infin;</sub> norm: 
+`\(\|\mathbf{a} - \mathbf{b}\| = \max_i{(\mathbf{a}_i - \mathbf{b}_i)} \)`
+
+neither of which will be that useful here, but they keep cropping up.)
+---
+
+# Normalisation of vectors
+
+Frequency distributions drawn from different sources will have different lengths. For a fair comparison we need to scale them. 
+
+* Eucliean scaling (vector with unit length): `$$ \hat{\mathbf{x}} = \frac{\mathbf{x}}{\| \mathbf{x} \|} = \frac{\mathbf{x}}{ \sqrt{\mathbf{x}_1^2 + \mathbf{x}_2^2 + \mathbf{x}_3^2 + \dots } }$$`
+
+* Normalisation (components of vector sum to 1): `$$ \hat{\mathbf{x}} = \frac{\mathbf{x}}{\| \mathbf{x} \|} = \frac{\mathbf{x}}{ \mathbf{x}_1 + \mathbf{x}_2 + \mathbf{x}_3 + \dots }$$`
+
+---
+
+# Angle, not distance
+
+Rather than looking at the distance between the vectors, look at the angle between them.
+
+.float-right[![right-aligned Vector dot product](vector-dot-product.svg)]
+
+Vector dot product shows how much of one vector lies in the direction of another: 
+`\( \mathbf{A} \bullet \mathbf{B} = 
+\| \mathbf{A} \| \cdot \| \mathbf{B} \| \cos{\theta} \)`
+
+But, 
+`\( \mathbf{A} \bullet \mathbf{B} = \sum_i \mathbf{A}_i \cdot \mathbf{B}_i \)`
+and `\( \| \mathbf{A} \| = \sum_i \mathbf{A}_i^2 \)`
+
+A bit of rearranging give the cosine simiarity:
+`$$ \cos{\theta} = \frac{ \mathbf{A} \bullet \mathbf{B} }{ \| \mathbf{A} \| \cdot \| \mathbf{B} \| } = 
+\frac{\sum_i \mathbf{A}_i \cdot \mathbf{B}_i}{\sum_i \mathbf{A}_i^2 \times \sum_i \mathbf{B}_i^2} $$`
+
+This is independent of vector lengths!
+
+Cosine similarity is 1 if in parallel, 0 if perpendicular, -1 if antiparallel.
+
+---
+
+# Which is best?
+
+   | Euclidean | Normalised
+---|-----------|------------  
+L1 |     x     |      x
+L2 |     x     |      x
+L3 |     x     |      x
+Cosine |     x     |      x
+
+And the probability measure!
+
+* Nine different ways of measuring fitness.
+
+## Computing is an empircal science
+
+Let's do some experiments to find the best solution!
+
+---
+
+# Experimental harness
+
+## Step 1: build some other scoring functions
+
+We need a way of passing the different functions to the keyfinding function.
+
+## Step 2: find the best scoring function
+
+Try them all on random ciphertexts, see which one works best.
+
+---
+
+# Functions are values!
+
+```python
+>>> Pletters
+<function Pletters at 0x7f60e6d9c4d0>
+```
+
+```python
+def caesar_break(message, fitness=Pletters):
+    """Breaks a Caesar cipher using frequency analysis
+...
+    for shift in range(26):
+        plaintext = caesar_decipher(message, shift)
+        fit = fitness(plaintext)
+```
+
+---
+
+# Changing the comparison function
+
+* Must be a function that takes a text and returns a score
+    * Better fit must give higher score, opposite of the vector distance norms
+
+```python
+def make_frequency_compare_function(target_frequency, frequency_scaling, metric, invert):
+    def frequency_compare(text):
+        ...
+        return score
+    return frequency_compare
+```
+
+---
+
+# Data-driven processing
+
+```python
+metrics = [{'func': norms.l1, 'invert': True, 'name': 'l1'}, 
+    {'func': norms.l2, 'invert': True, 'name': 'l2'},
+    {'func': norms.l3, 'invert': True, 'name': 'l3'},
+    {'func': norms.cosine_similarity, 'invert': False, 'name': 'cosine_similarity'}]
+scalings = [{'corpus_frequency': normalised_english_counts, 
+         'scaling': norms.normalise,
+         'name': 'normalised'},
+        {'corpus_frequency': euclidean_scaled_english_counts, 
+         'scaling': norms.euclidean_scale,
+         'name': 'euclidean_scaled'}]
+```
+
+Use this to make all nine scoring functions.
+
+
+    </textarea>
+    <script src="http://gnab.github.io/remark/downloads/remark-0.6.0.min.js" type="text/javascript">
+    </script>
+
+    <script type="text/javascript"
+      src="http://cdn.mathjax.org/mathjax/latest/MathJax.js?config=TeX-AMS-MML_HTMLorMML&delayStartupUntil=configured"></script>
+
+    <script type="text/javascript">
+      var slideshow = remark.create({ ratio: "16:9" });
+
+      // Setup MathJax
+      MathJax.Hub.Config({
+        tex2jax: {
+        skipTags: ['script', 'noscript', 'style', 'textarea', 'pre']
+        }
+      });
+      MathJax.Hub.Queue(function() {
+        $(MathJax.Hub.getAllJax()).map(function(index, elem) {
+            return(elem.SourceElement());
+        }).parent().addClass('has-jax');
+      });
+      MathJax.Hub.Configured();
+    </script>
+  </body>
+</html>