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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

  • XRd\mathcal{X} \subset \mathbb{R}^d: 搜索空间
  • Z={x:x=iSFi,S is Zeckendorf}\mathcal{Z} = \{x : x = \sum_{i \in S} F_i, S \text{ is Zeckendorf}\}: Zeckendorf可行集
  • f:XRf: \mathcal{X} \to \mathbb{R}: 目标函数
  • f:XRd\nabla f: \mathcal{X} \to \mathbb{R}^d: 梯度映射

算法参数

  • αn(0,1]\alpha_n \in (0,1]: 第n步步长
  • xnZx_n \in \mathcal{Z}: 第n步位置
  • gn=f(xn)g_n = \nabla f(x_n): 第n步梯度
  • HnH_n: 第n步系统熵

收敛度量

  • ϵ>0\epsilon > 0: 收敛精度
  • ρ(0,1)\rho \in (0,1): 收敛速率
  • L>0L > 0: Lipschitz常数
  • μ>0\mu > 0: 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

ΠZ(x)=argminzZxz\Pi_\mathcal{Z}(x) = \arg\min_{z \in \mathcal{Z}} \|x - z\|

算法实现:

  1. 分解x|x|为Fibonacci数和(贪心算法)
  2. 保持原始符号
  3. 确保无连续Fibonacci数

Fibonacci步长序列

定义C16-1.2: 步长衰减律

αn=Fn1Fn,n2\alpha_n = \frac{F_{n-1}}{F_n}, \quad n \geq 2 α1=1\alpha_1 = 1

性质:

  • limnαn=φ1\lim_{n \to \infty} \alpha_n = \varphi^{-1}
  • αn+1<αn\alpha_{n+1} < \alpha_n
  • αnαn+1<φ2\alpha_n \cdot \alpha_{n+1} < \varphi^{-2}

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ff,Zeckendorf约束梯度下降

xn+1=ΠZ[xnαnf(xn)]x_{n+1} = \Pi_\mathcal{Z}[x_n - \alpha_n \nabla f(x_n)]

满足:

f(xn)f(x)Lx0x22k=1nαkf(x_n) - f(x^*) \leq \frac{L\|x_0 - x^*\|^2}{2\sum_{k=1}^n \alpha_k}

推论C16-1.2:收敛速率

陈述: 强凸情况下(μ>0\mu > 0),收敛速率

xnx(LμL+μ)nx0xφn/2\|x_n - x^*\| \leq \left(\frac{L - \mu}{L + \mu}\right)^n \|x_0 - x^*\| \cdot \varphi^{-\lfloor n/2 \rfloor}

推论C16-1.3:梯度Fibonacci界

陈述: 梯度范数满足

f(xn)Ldist(x0,X)Fn\|\nabla f(x_n)\| \leq \frac{L \cdot \text{dist}(x_0, \mathcal{X}^*)}{F_n}

其中X\mathcal{X}^*是最优解集。

推论C16-1.4:熵增保证

陈述: 搜索过程的累积熵

Htotal(n)=k=1nHklogFnH_{\text{total}}(n) = \sum_{k=1}^n H_k \geq \log F_n

推论C16-1.5:振荡周期性

陈述: 收敛路径的振荡满足

xn+TxφT(xnx)x_{n+T} - x^* \approx \varphi^{-T}(x_n - x^*)

其中T=logφnT = \lfloor \log_\varphi n \rfloor

算法规范

Algorithm: ZeckendorfGradientDescent

输入:

  • 目标函数 f:XRf: \mathcal{X} \to \mathbb{R}
  • 梯度函数 f:XRd\nabla f: \mathcal{X} \to \mathbb{R}^d
  • 初始点 x0Rdx_0 \in \mathbb{R}^d
  • 最大迭代数 NNN \in \mathbb{N}
  • 收敛精度 ϵ>0\epsilon > 0

输出:

  • 优化轨迹 {xn}n=0N\{x_n\}_{n=0}^N
  • 最优解 xZx^* \in \mathcal{Z}
  • 收敛指标

不变量:

  1. xnZ,nx_n \in \mathcal{Z}, \forall n
  2. f(xn+1)f(xn)+O(αn2)f(x_{n+1}) \leq f(x_n) + O(\alpha_n^2)
  3. αn=Fn1/Fn\alpha_n = F_{n-1}/F_n

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

αnφ1<1Fn\left|\alpha_n - \varphi^{-1}\right| < \frac{1}{F_n}

V2: 目标函数下降

f(xn+1)f(xn)αn2f(xn)2+Lαn22f(xn)2f(x_{n+1}) \leq f(x_n) - \frac{\alpha_n}{2}\|\nabla f(x_n)\|^2 + \frac{L\alpha_n^2}{2}\|\nabla f(x_n)\|^2

V3: 梯度界验证

f(xn)LC0Fn\|\nabla f(x_n)\| \leq \frac{L \cdot C_0}{F_n}

V4: 熵增验证

Hn+1Hn0H_{n+1} - H_n \geq 0

V5: Zeckendorf约束验证

xn=kSnFk,Sn(Sn1)=0x_n = \sum_{k \in S_n} F_k, \quad |S_n \cap (S_n - 1)| = 0

复杂度分析

时间复杂度

  • Zeckendorf投影: O(logx)O(\log |x|)
  • 单步迭代: O(dlogx)O(d \log |x|)
  • 总复杂度: O(Ndlogx)O(Nd \log |x|)

空间复杂度

  • 轨迹存储: O(Nd)O(Nd)
  • Fibonacci缓存: O(logN)O(\log N)
  • 总空间: O(Nd)O(Nd)

收敛复杂度

  • 达到ε-精度: O(log(1/ϵ)/logφ)O(\log(1/\epsilon) / \log \varphi)
  • 强凸情况: O(κlog(1/ϵ))O(\kappa \log(1/\epsilon))κ=L/μ\kappa = L/\mu

数值稳定性

条件数

κ=Lμφ\kappa = \frac{L}{\mu} \cdot \varphi

舍入误差

xncomputedxnexact=O(ϵmachineFn)|x_n^{\text{computed}} - x_n^{\text{exact}}| = O(\epsilon_{\text{machine}} \cdot F_n)

投影误差

ΠZ(x)xFlogφx\|\Pi_\mathcal{Z}(x) - x\| \leq F_{\lfloor \log_\varphi |x| \rfloor}

实现要求

数据结构

  1. Fibonacci数缓存(动态数组)
  2. Zeckendorf表示(稀疏向量)
  3. 梯度历史(循环队列)
  4. 收敛指标(结构体)

算法优化

  1. 预计算Fibonacci数到F100F_{100}
  2. 使用二分搜索加速投影
  3. 自适应精度控制
  4. 并行梯度计算(高维情况)

边界处理

  1. 数值溢出保护
  2. 零梯度处理
  3. 非凸区域检测
  4. 投影失败回退

测试规范

单元测试

  1. Fibonacci数生成正确性
  2. Zeckendorf投影准确性
  3. 步长序列验证
  4. 梯度计算正确性

收敛测试

  1. 凸二次函数
  2. Rosenbrock函数
  3. 高维测试函数
  4. 非凸函数

性能测试

  1. 不同维度(d = 1, 10, 100, 1000)
  2. 不同精度要求
  3. 条件数影响
  4. 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: O(1/n)O(1/n)
  • 强凸: O(φn)O(\varphi^{-n})
  • 非凸: 收敛到驻点

最优性差距

f(xn)f(x)2Lx0x2Fnf(x_n) - f(x^*) \leq \frac{2L\|x_0 - x^*\|^2}{F_n}

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