T24-3 形式化规范:φ-优化算法统一定理
依赖
- T24-1: φ-优化目标涌现定理
- T24-2: φ-优化收敛保证定理
- T20-3: Reality shell边界定理
- T21-1: φ-ζ AdS对偶定理
- A1: 自指完备系统必然熵增
定义域
算法空间
- : 所有一阶优化算法的集合
- : n阶优化算法子空间
- : Zeckendorf约束下的算法空间
参数空间
- : 算法超参数空间
- : k步历史信息空间
- : 梯度空间
常数与序列
- : 黄金比例
- : Fibonacci序列
- : Fibonacci步长序列
形式系统
算法映射
定义: 优化算法是映射
Zeckendorf约束算法:
算法等价关系
定义: 两个算法等价当且仅当
主要定理
定理T24-3.1:算法φ-等价性
陈述: 对任意标准算法,存在φ-调制算法使得
证明要素:
- 投影算子的Taylor展开
- φ-缩放的普遍性
- 高阶项的界估计
定理T24-3.2:Fibonacci动量结构
陈述: 最优动量更新规则为
满足:
- 归一化:
- 收敛性:
- 最优性: 最小化
定理T24-3.3:自适应学习率黄金分割
陈述: 最优学习率序列满足
性质:
- 单调递减:
- 收敛速度:
- 累积修正: 收敛
定理T24-3.4:随机优化方差缩减
陈述: Zeckendorf约束下的随机梯度方差
证明: 有效样本空间缩减
定理T24-3.5:算法层次分形结构
陈述: n阶算法的Zeckendorf表示
其中是k阶投影算子。
分形维数:
算法规范
Algorithm: UnifiedPhiOptimizer
输入:
- 目标函数
- 算法类型
- 初始点
输出:
- 优化轨迹
- 收敛证明
不变量:
统一更新规则
function unified_update(x_k, g_k, H_k, type):
if type == SGD:
delta = -alpha_k * g_k
elif type == Momentum:
v_k = beta_k * v_{k-1} + gamma_k * g_k
delta = -v_k
elif type == Adam:
m_k = beta1_k * m_{k-1} + (1-beta1_k) * g_k
v_k = beta2_k * v_{k-1} + (1-beta2_k) * g_k^2
delta = -alpha_k * m_k / sqrt(v_k)
elif type == Newton:
delta = -solve(H_k + lambda*I, g_k)
x_{k+1} = Proj_Z(x_k + delta)
return x_{k+1}
验证条件
V1: 算法等价性验证
V2: Fibonacci权重验证
V3: 方差缩减验证
V4: 分形结构验证
V5: 收敛统一性
所有算法收敛率
复杂度分析
时间复杂度
- SGD:
- Momentum:
- Adam:
- Newton:
空间复杂度
- 0阶方法:
- 1阶方法:
- 2阶方法:
通信复杂度(分布式)
数值稳定性
条件数分析
Zeckendorf约束改善条件数:
舍入误差传播
实现要求
数据结构
- Fibonacci序列缓存
- 稀疏Zeckendorf表示
- 历史信息压缩存储
并行化
- 梯度计算并行
- 投影操作向量化
- Fibonacci权重预计算
优化技巧
- 懒惰投影(延迟到必要时)
- 近似φ-调制(快速近似)
- 自适应精度控制
测试规范
单元测试
- 各算法φ-等价性
- Fibonacci序列正确性
- 投影算子性质
- 收敛率验证
集成测试
- 不同问题类型
- 不同维度扩展性
- 数值稳定性
- 算法切换一致性
性能基准
- 与标准算法对比
- 收敛速度测量
- 内存使用分析
- 并行加速比
理论保证
全局收敛性
从任意收敛到全局最优
率优性
收敛率是Zeckendorf约束下的最优率
鲁棒性
对初始化、超参数选择、数值误差具有鲁棒性
形式化验证清单:
- 算法等价性证明
- Fibonacci结构验证
- 方差缩减测量
- 分形维数计算
- 收敛统一性检验
- 复杂度界确认
- 数值稳定性分析
- 并行正确性验证