Skip to main content

D1-8-formal: φ-表示系统的形式化定义

机器验证元数据

type: definition
verification: machine_ready
dependencies: ["D1-2-formal.md", "D1-3-formal.md"]
verification_points:
- fibonacci_generation
- bijection_property
- no11_constraint_preservation
- zeckendorf_uniqueness

核心定义

定义 D1-8(φ-表示系统)

PhiRepresentationSystem : Type ≡
(F, B, encode_φ, decode_φ)

where
F : Sequence[ℕ] // Fibonacci sequence
B : Set[BinaryString] // Binary strings satisfying no-11 constraint
encode_φ : B → ℕ⁺ // Encoding function
decode_φ : ℕ⁺ → B // Decoding function

Fibonacci数列定义

修改的Fibonacci序列

FibonacciSequence : Sequence[ℕ] ≡
F₁ = 1
F₂ = 2
Fₙ = Fₙ₋₁ + Fₙ₋₂ for n ≥ 3

// Sequence: 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, ...

Fibonacci性质

FibonacciProperties : Prop ≡
RecursiveRelation(F) ∧
BinetFormula(F) ∧
AsymptoticBehavior(F)

where
RecursiveRelation(F) := ∀n≥3 . Fₙ = Fₙ₋₁ + Fₙ₋₂
BinetFormula(F) := ∀n . Fₙ = (φⁿ - ψⁿ)/√5
AsymptoticBehavior(F) := limₙ→∞ Fₙ/φⁿ = 1/√5

编码与解码函数

编码函数

encode_φ : B → ℕ⁺ ≡
encode_φ(b₁b₂...bₙ) = Σᵢ₌₁ⁿ bᵢ · Fᵢ

where
bᵢ ∈ {0,1}
∀i . bᵢ = 1 → bᵢ₊₁ ≠ 1 // no-11 constraint

解码函数(贪心算法)

decode_φ : ℕ⁺ → B ≡
GreedyDecode(n) where
GreedyDecode(n):
1. Find max k such that Fₖ ≤ n
2. Initialize result[1..k] = 0
3. remaining := n
4. For i from k down to 1:
If Fᵢ ≤ remaining:
result[i] := 1
remaining := remaining - Fᵢ
5. Return result

系统性质

性质1:双射性

Bijection(encode_φ, decode_φ) : Prop ≡
∀b ∈ B . decode_φ(encode_φ(b)) = b ∧
∀n ∈ ℕ⁺ . encode_φ(decode_φ(n)) = n

性质2:Zeckendorf唯一性

ZeckendorfUniqueness : Prop ≡
∀n ∈ ℕ⁺ . ∃!b ∈ B . encode_φ(b) = n

性质3:保序性

OrderPreserving : Prop ≡
∀n₁, n₂ ∈ ℕ⁺ . n₁ < n₂ ⟺
decode_φ(n₁) <_lex decode_φ(n₂)

性质4:紧致性

Compactness : Prop ≡
∀n ∈ ℕ⁺ . |decode_φ(n)| = ⌊log_φ n⌋ + 1

信息容量

渐近容量

AsymptoticCapacity : Real ≡
C_φ = limₙ→∞ log₂(Fₙ₊₂)/n = log₂(φ)

where
φ = (1 + √5)/2 // Golden ratio

效率度量

Efficiency : Real ≡
η_φ = C_φ/1 = log₂(φ) ≈ 0.694

Zeckendorf表示

Zeckendorf定理

ZeckendorfTheorem : Prop ≡
∀n ∈ ℕ⁺ . ∃!I ⊂ ℕ .
n = Σᵢ∈I Fᵢ ∧
∀i,j ∈ I . |i-j| ≥ 2

等价关系

PhiZeckendorfEquivalence : Prop ≡
B ↔ ZeckendorfRepresentations ↔ ℕ⁺

类型定义

Type BinaryString := List[Bit]
Type Bit := {0, 1}
Type ℕ⁺ := {n ∈ ℕ | n > 0}
Type Real := ℝ

机器验证检查点

检查点1:Fibonacci生成验证

def verify_fibonacci_generation(n):
F = [1, 2] # F[0] = F₁, F[1] = F₂
for i in range(2, n):
F.append(F[i-1] + F[i-2])
return all(F[i] == F[i-1] + F[i-2] for i in range(2, n))

检查点2:双射性验证

def verify_bijection_property(test_range):
for n in test_range:
b = decode_phi(n)
if encode_phi(b) != n:
return False
return True

检查点3:no-11约束保持验证

def verify_no11_constraint_preservation(n):
binary_string = decode_phi(n)
return "11" not in binary_string

检查点4:Zeckendorf唯一性验证

def verify_zeckendorf_uniqueness(n):
representation = decode_phi(n)
# 验证表示中没有连续的1(满足Zeckendorf条件)
return is_valid_zeckendorf(representation)

形式化验证状态

  • 定义语法正确
  • 算法描述完整
  • 性质相互独立
  • 类型系统清晰
  • 最小完备