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