C16-1 形式化规范:φ-优化收敛推论
依赖
- T24-1: φ-优化目标涌现定理
- C15-2: φ-策略演化推论
- A1: 自指完备系统必然熵增
定义域
优化空间
- : 搜索空间
- : Zeckendorf可行集
- : 目标函数
- : 梯度映射
算法参数
- : 第n步步长
- : 第n步位置
- : 第n步梯度
- : 第n步系统熵
收敛度量
- : 收敛精度
- : 收敛速率
- : Lipschitz常数
- : 强凸参数(如果适用)
形式系统
Zeckendorf投影算子
定义C16-1.1: 投影到最近Zeckendorf点
算法实现:
- 分解为Fibonacci数和(贪心算法)
- 保持原始符号
- 确保无连续Fibonacci数
Fibonacci步长序列
定义C16-1.2: 步长衰减律
性质:
主要陈述
推论C16-1.1:梯度下降收敛性
陈述: 对于L-Lipschitz连续可微函数,Zeckendorf约束梯度下降
满足:
推论C16-1.2:收敛速率
陈述: 强凸情况下(),收敛速率
推论C16-1.3:梯度Fibonacci界
陈述: 梯度范数满足
其中是最优解集。
推论C16-1.4:熵增保证
陈述: 搜索过程的累积熵
推论C16-1.5:振荡周期性
陈述: 收敛路径的振荡满足
其中
算法规范
Algorithm: ZeckendorfGradientDescent
输入:
- 目标函数
- 梯度函数
- 初始点
- 最大迭代数
- 收敛精度
输出:
- 优化轨迹
- 最优解
- 收敛指标
不变量:
核心算法
function zeckendorf_gradient_descent(f, ∇f, x₀, N, ε):
x = Π_Z(x₀)
trajectory = [x]
for n in 1:N:
# 计算梯度
g = ∇f(x)
# 收敛检查
if ||g|| < ε:
break
# Fibonacci步长
α = F_{n-1} / F_n
# 梯度步
x_new = x - α * g
# Zeckendorf投影
x = Π_Z(x_new)
trajectory.append(x)
return trajectory, x
function project_to_zeckendorf(x):
# 贪心Fibonacci分解
sign = sgn(x)
value = |x|
result = 0
used = []
for k in reverse(2:MAX_FIB):
if F_k ≤ value and k-1 ∉ used:
result += F_k
value -= F_k
used.append(k)
return sign * result
验证条件
V1: 步长收敛验证
V2: 目标函数下降
V3: 梯度界验证
V4: 熵增验证
V5: Zeckendorf约束验证
复杂度分析
时间复杂度
- Zeckendorf投影:
- 单步迭代:
- 总复杂度:
空间复杂度
- 轨迹存储:
- Fibonacci缓存:
- 总空间:
收敛复杂度
- 达到ε-精度:
- 强凸情况: ,
数值稳定性
条件数
舍入误差
投影误差
实现要求
数据结构
- Fibonacci数缓存(动态数组)
- Zeckendorf表示(稀疏向量)
- 梯度历史(循环队列)
- 收敛指标(结构体)
算法优化
- 预计算Fibonacci数到
- 使用二分搜索加速投影
- 自适应精度控制
- 并行梯度计算(高维情况)
边界处理
- 数值溢出保护
- 零梯度处理
- 非凸区域检测
- 投影失败回退
测试规范
单元测试
- Fibonacci数生成正确性
- Zeckendorf投影准确性
- 步长序列验证
- 梯度计算正确性
收敛测试
- 凸二次函数
- Rosenbrock函数
- 高维测试函数
- 非凸函数
性能测试
- 不同维度(d = 1, 10, 100, 1000)
- 不同精度要求
- 条件数影响
- 并行加速比
理论保证
全局收敛性
凸函数情况下保证收敛到全局最优
局部收敛性
非凸函数收敛到Zeckendorf局部最优
收敛速率
- 一般凸:
- 强凸:
- 非凸: 收敛到驻点
最优性差距
形式化验证清单:
- Fibonacci步长生成
- Zeckendorf投影算法
- 梯度下降收敛性
- 收敛速率估计
- 梯度界验证
- 熵增保证
- 振荡周期性
- 数值稳定性测试