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D1-3-formal: no-11约束的形式化定义

机器验证元数据

type: definition
verification: machine_ready
dependencies: ["D1-2-formal.md"]
verification_points:
- no_consecutive_ones
- valid_string_set
- recursive_generation
- fibonacci_counting

核心定义

定义 D1-3(no-11约束)

No11Constraint(Encode : Encoding) : Prop ≡
∀s : Element . s ∈ S →
¬Contains11(Encode(s))

辅助定义

连续11模式检测

Contains11(str : BinaryString) : Prop ≡
∃i : ℕ . i < |str| - 1 ∧
str[i] = 1 ∧ str[i+1] = 1

有效字符串集合

Valid_no11 : Set[BinaryString] ≡
{str : BinaryString | ¬Contains11(str)}

模式集合定义

Pattern_11 : Set[BinaryString] ≡
{w ∈ {0,1}* | ∃u,v ∈ {0,1}* . w = u ++ "11" ++ v}

等价表述

表述1:正则表达式

Valid_no11 = L((0|10)*(1|ε))

表述2:递归生成规则

ValidString ::= ε
| 0 · ValidString
| 10 · ValidString
| 1

表述3:有限状态自动机

FSA_no11 := {
States: {q₀, q₁, q_reject},
Start: q₀,
Accept: {q₀, q₁},
Transitions: {
δ(q₀, 0) = q₀,
δ(q₀, 1) = q₁,
δ(q₁, 0) = q₀,
δ(q₁, 1) = q_reject,
δ(q_reject, _) = q_reject
}
}

关键性质

性质1:前缀封闭性

PrefixClosed(Valid_no11) := 
∀s ∈ Valid_no11 . ∀p prefix_of s . p ∈ Valid_no11

性质2:扩展规则

ExtensionRules(s ∈ Valid_no11) := {
s ++ "0" ∈ Valid_no11,
s ++ "1" ∈ Valid_no11 ⟺ ¬EndsWith1(s)
}

性质3:计数函数

Count_no11(n : ℕ) : ℕ := F_{n+2}
where F_k = Fibonacci(k)

性质4:信息容量

Capacity_no11 := lim_{n→∞} (log₂ Count_no11(n))/n = log₂ φ
where φ = (1 + √5)/2

机器验证检查点

检查点1:无连续1验证

def verify_no_consecutive_ones(binary_string):
return "11" not in binary_string

检查点2:有效字符串集合验证

def verify_valid_string_set(strings):
return all(verify_no_consecutive_ones(s) for s in strings)

检查点3:递归生成验证

def verify_recursive_generation(string):
return matches_grammar(string, valid_no11_grammar)

检查点4:Fibonacci计数验证

def verify_fibonacci_counting(n):
return count_valid_strings(n) == fibonacci(n+2)

形式化验证状态

  • 定义语法正确
  • 约束条件明确
  • 等价表述完整
  • 性质可验证
  • 最小完备