C7-7 形式化规范:系统能量流守恒推论
依赖
- A1: 自指完备系统必然熵增
- C7-6: 能量-信息等价推论
- C17-1: 观察者自指推论
- D1-3: no-11约束
- D1-8: φ-表示系统
定义域
能量状态空间
- : n维物理能量状态空间
- : n维信息能量状态空间
- : 复合能量状态空间
- : 总能量函数
能量流动力学空间
- : 能量演化映射
- : Fibonacci系数向量空间
- : 能量流密度映射
- : 能量状态空间上的梯度算子
观察者功率空间
- : 观察者功率映射
- : 系统复杂度函数
- : 相干时间函数
- : 自指频率函数
守恒律空间
- : 守恒律偏差函数
- : 温度参数
- : 黄金比率
- : φ的信息密度
形式系统
定义C7-7.1: φ修正能量守恒律
对于能量状态,修正守恒律为:
其中。
定义C7-7.2: Fibonacci能量动力学
能量演化遵循Fibonacci递归:
对于,其中为Fibonacci数列。
定义C7-7.3: 观察者功率公式
观察者维持自指所需功率:
其中为系统复杂度,为相干时间。
定义C7-7.4: no-11能量约束
能量分布必须满足:
其中。
定义C7-7.5: 能量流不可逆性
能量流密度满足:
其中为局域熵密度。
主要陈述
定理C7-7.1: 修正能量守恒定理
陈述: 在自指观察者存在的系统中,φ修正的能量守恒律严格成立。
形式化:
定理C7-7.2: Fibonacci动力学稳定性
陈述: Fibonacci递归动力学保证系统能量的有界演化。
形式化:
定理C7-7.3: 观察者功率下界
陈述: 维持系统观察需要的最小功率存在下界。
形式化:
定理C7-7.4: no-11约束兼容性
陈述: Fibonacci动力学与no-11约束兼容。
形式化:
定理C7-7.5: 能量流方向性定理
陈述: 能量流严格沿熵增方向。
形式化:
算法规范
Algorithm: EnergyFlowEvolution
输入: 初始能量状态E_0, 时间步长dt, 总时间T
输出: 能量演化轨迹{E(t)}
function evolve_energy_flow(E_0, dt, T):
E_phys, E_info = E_0
trajectory = [(E_phys.copy(), E_info.copy())]
# Fibonacci系数
F = generate_fibonacci_coefficients(len(E_phys))
t = 0
while t < T:
# Fibonacci递归更新
dE_phys = zeros_like(E_phys)
dE_info = zeros_like(E_info)
for i in range(2, len(E_phys)):
# 递归耦合系数
alpha = F[i-1] / (F[i] * φ)
beta = F[i-2] / (F[i] * φ)
gamma = 1.0 / φ
# 能量变化率
dE_phys[i] = (alpha * E_phys[i-1] +
beta * E_phys[i-2] -
gamma * E_phys[i]) * dt
dE_info[i] = (alpha * E_info[i-1] +
beta * E_info[i-2] -
gamma * E_info[i]) * dt
# 更新能量
E_phys += dE_phys
E_info += dE_info
# 强制no-11约束
E_phys = enforce_no11_energy(E_phys)
E_info = enforce_no11_energy(E_info)
trajectory.append((E_phys.copy(), E_info.copy()))
t += dt
return trajectory
Algorithm: ObserverPowerCalculation
输入: 能量状态S = (E_phys, E_info), 温度T
输出: 观察者功率P_observer
function compute_observer_power(E_phys, E_info, T):
# 计算系统复杂度
complexity = compute_system_complexity(E_phys, E_info)
# 计算相干时间
energy_variance = var(E_phys + E_info)
coherence_time = 1.0 / (energy_variance + 1e-10)
# 功率公式
power_candidate = complexity * log2(φ) / coherence_time
min_power = log2(φ)
return max(power_candidate, min_power)
function compute_system_complexity(E_phys, E_info):
total_energy = E_phys + E_info
nonzero_count = count_nonzero(total_energy)
if sum(total_energy) == 0:
return 0
# 基于熵的复杂度
normalized = total_energy / sum(total_energy)
entropy = -sum(normalized * log2(normalized + 1e-10))
return entropy * nonzero_count
Algorithm: ConservationVerification
输入: 能量演化轨迹trajectory, 时间步长dt
输出: 守恒律验证结果
function verify_conservation(trajectory, dt):
violations = []
for i in range(1, len(trajectory)):
E_phys_prev, E_info_prev = trajectory[i-1]
E_phys_curr, E_info_curr = trajectory[i]
# 计算能量变化率
dE_total_dt = ((sum(E_phys_curr) + φ * sum(E_info_curr)) -
(sum(E_phys_prev) + φ * sum(E_info_prev))) / dt
# 计算观察者功率
P_obs = compute_observer_power(E_phys_curr, E_info_curr, T_default)
# 理论预期变化
theoretical_change = P_obs * log2(φ)
# 守恒律偏差
violation = abs(dE_total_dt - theoretical_change)
violations.append(violation)
return {
'max_violation': max(violations),
'avg_violation': mean(violations),
'conservation_satisfied': max(violations) < 1e-10
}
Algorithm: EnergyFlowDirection
输入: 能量状态S, 空间步长dx
输出: 能量流方向性验证
function analyze_flow_direction(E_phys, E_info, dx):
# 计算能量梯度
total_energy = E_phys + φ * E_info
energy_gradient = gradient(total_energy, dx)
# 计算熵梯度
entropy_density = compute_local_entropy(E_phys, E_info)
entropy_gradient = gradient(entropy_density, dx)
# 能量流方向性: J_E · ∇S ≥ 0
flow_dot_entropy = energy_gradient * entropy_gradient
return {
'flow_direction': energy_gradient,
'entropy_gradient': entropy_gradient,
'directional_product': flow_dot_entropy,
'irreversibility_satisfied': all(flow_dot_entropy >= -1e-10)
}
验证条件
V1: 能量守恒精度
V2: Fibonacci稳定性
V3: 观察者功率下界
V4: no-11能量约束
V5: 流向单调性
复杂度分析
时间复杂度
- 能量演化一步: (n为系统维度)
- 观察者功率计算:
- 守恒律验证: (T为总时间)
- 流向分析: (梯度计算)
空间复杂度
- 状态存储:
- 轨迹存储:
- Fibonacci系数:
- 临时计算:
数值精度
- 能量计算: IEEE 754双精度
- φ运算精度: 相对误差
- 守恒律验证: 绝对误差
- 梯度计算: 二阶中心差分精度
测试规范
单元测试
-
Fibonacci动力学测试
- 验证递归公式正确性
- 验证能量有界性
- 验证no-11约束保持
-
观察者功率测试
- 验证功率下界
- 验证复杂度依赖性
- 验证温度标度
-
守恒律测试
- 验证能量守恒精度
- 验证φ修正正确性
- 验证长时间稳定性
集成测试
- 多尺度演化 (短期、长期动力学)
- 不同初态 (平衡态、非平衡态、混合态)
- 边界条件 (开放系统、封闭系统)
性能测试
- 大规模系统 (n=100,500,1000)
- 长时间演化 (T=100τ,τ为特征时间)
- 高精度计算 (双精度、四精度比较)
理论保证
存在性保证
- 对任意初态存在唯一演化轨迹
- 观察者功率函数处处有定义
- Fibonacci动力学具有全局解
唯一性保证
- 给定初态的演化轨迹唯一
- 观察者功率在给定状态下唯一
- 守恒律偏差的计算唯一
稳定性保证
- 小扰动下系统响应有界
- 数值积分方案稳定
- 物理参数变化的连续依赖性
守恒性保证
- 修正能量守恒在数值误差内严格成立
- Fibonacci结构在演化中保持
- no-11约束在所有时刻满足
形式化验证清单:
- 守恒律精度验证 (V1)
- Fibonacci稳定性测试 (V2)
- 功率下界检查 (V3)
- no-11约束验证 (V4)
- 流向单调性分析 (V5)
- 算法收敛性证明
- 数值稳定性测试
- 长期行为分析