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RCA–CID–WSIG–EBOC 统一理论

——可逆自动机 × 封闭自译码器 × 窗化散射/信息几何 × 永恒图因果网

(定义—定理—证明要点—可检判据—工程蓝图)

Version: 1.5

作者:Auric(S-series / EBOC)

关键词:可逆元胞自动机(RCA);封闭自译码器(CID);追加式日志;记录熵;停机等价;Zeckendorf 规范形;Kraft–McMillan;I-投影/KL;Birman–Kreĭn;Wigner–Smith 延迟;Ihara–Hashimoto–Bass 图 ζ;Wexler–Raz/Gabor;Chebyshev 图滤波


摘要

立足“永恒图(EBOC-Graph)是静态测度结构,’时间’仅由观察者(译码器)对叶的滤过与提交产生“的立场,本文建立一个由四层构成、可证可检可工程化的统一理论:

(I)动力学层(RCA):以可逆元胞自动机描述全系统的可逆演化,保证联合信息守恒无擦除实现;可逆性以 Hedlund—Moore—Myhill 的伊甸园判据与 Toffoli–Margolus 的分块可逆构造为证据。(ibisc.univ-evry.fr)

(II)记录/推断层(CID):封闭自译码器以追加式日志记录自身变更;在最小记录策略下其“记录熵“沿时间滤过单调(通常严格)上升,并与“停机/I-投影定点/KL 不再下降“互相等价(Csiszár 的 I-几何与毕达哥拉斯恒等式)。([pages.stern.nyu.edu][2])

(III)测量层(WSIG):把一切读数统一为对**“相位导数 = Wigner–Smith 延迟迹 = −2π·谱移密度”窗化积分**;并以 Nyquist–Poisson–Euler–Maclaurin 三分解给出非渐近误差闭合。([imo.universite-paris-saclay.fr][3])

(IV)图谱层(EBOC-Graph):以图拉普拉斯谱为频域、用Chebyshev 多项式实现局部化滤波与指数型尾界,非回溯谱经 Ihara–Hashimoto–Bass 行列式与闭路计数同构,支撑“叶-读取/提交“的工程实现。([科学直通车][4])

本文的关键主张配有可反驳判据工程蓝图

1)在把 建模为长度为 的码字序列且以前缀码保证拼接可逆、更新为 的前提下,有 ;若按无边界比特串建模,则仅得 。2)“无法熵增”“停机”“I-投影定点”;3)底层唯一规范形需满足“相邻尺度可重组 + 前缀可解“,其一类自然且充分的实现是 Zeckendorf 分解配合前缀码(Kraft),并非唯一可选方案;以此根除“同物多表“的指数级记录爆炸。([维基百科][5])


0. 设定与记号

  • 静态块宇宙:给定概率空间 ,“时间“仅由译码器对叶的滤过—提交所诱导。
  • RCA:在格 上的全局映射 可逆 为 CA(存在有限半径逆局部规则)。(ibisc.univ-evry.fr)
  • CID:内部记录 追加式更新 ;全态 在双射 下可逆演化;编码器 前缀码。([维基百科][6])
  • 编码规范形:规模负载 Zeckendorf 唯一分解(无相邻 1);尾随“11“得斐波那契前缀码。([维基百科][5])
  • I-几何:信念族为指数族,更新由**I-投影(最小 KL)**实现,满足 KL 的毕达哥拉斯分解。([pages.stern.nyu.edu][2])
  • WSIG:散射矩阵 的行列式相位给出谱移 ,且 ;本文采用 的约定,其中 为 Wigner–Smith 延迟矩阵。并记 为基准体系对应量。本文中出现的 即指此定义。([imo.universite-paris-saclay.fr][3])
  • EBOC-Graph:以图拉普拉斯 的谱作频域, 由 Chebyshev 级数近似(次数 给出误差 )。([科学直通车][4])

1. 可逆元胞自动机(RCA):可逆性、信息守恒与构造

定义 1.1(可逆 CA)

双射且 亦为 CA,则称 可逆元胞自动机。可逆性的结构与判据详见 Kari 综述与 Hedlund—Moore—Myhill 理论。(ibisc.univ-evry.fr)

定理 1.2(Moore–Myhill/Garden-of-Eden 判据)

上,满射当且仅当预单射;因此“单射+满射“可逆

证明要点:基于移位动力系统的拓扑—组合论框架与图示覆盖论证。(ibisc.univ-evry.fr)

定理 1.3(联合熵守恒与无擦除实现)

可逆映射保持 Liouville/香农联合熵;Toffoli–Margolus 分块可逆与 Durand-Lose 的“可逆块 CA 表示“确保用局部双射实现 (不需擦除);Bennett 逻辑可逆计算给出能耗与信息守恒的一致性。([MIT CSAIL][7])


2. 封闭自译码器(CID):记录熵增律与“停机“等价

定义 2.1(CID)

为双射;追加式);前缀可解(Kraft–McMillan)。([维基百科][6])

定理 2.2(记录熵单调与严格增条件)

定义“记录熵“ 。在把 建模为码字序列前缀码(从而序列与拼接串一一对应)的前提下, 。若仅将 视作无边界普通串,则 ,因而 ,并不保证取等;本文采用前者建模以确保等式成立。

证明要点:链式法则与条件互信息非负性(数据处理不等式背景)。(I-几何版本见下一条)([pages.stern.nyu.edu][2])

定义 2.3(停机)

存在 使 (不再追加码字)。

定理 2.4(“无熵增”“停机”“I-投影定点”,在最小记录+唯一规范形下)

在假设:① 采用最小记录策略(仅当新增码字带来净 MDL 改善且不可由现有模型重构时才追加);② 记录以前缀码串行编码并采用唯一规范形(如 Zeckendorf);③ 为码字序列随机变量;③b 取可检阈值 ;下,以下命题等价:

(a) ;(b) ;(c)

(d) ;(e) 停机:存在 使 ,其触发准则为

证明要点:由定理 2.2 得 (a)(b);(b)(c) 乃确定性后处理;(c)(d) 表明无新约束I-投影不动点(Csiszár);(d)(e) 在假设①–②下无冗余继续;(e)(a) 反向平凡。

说明:若缺省①–②,则通常仅有 (a)(b)(c)(d),而 (d)(e) 不再保证成立。([pages.stern.nyu.edu][2])


3. 防爆炸的底层唯一:Zeckendorf + Kraft–McMillan

定理 3.1(Zeckendorf 唯一分解与前缀化)

每个 唯一表示为非相邻斐波那契数之和;尾随“11“得到斐波那契前缀码(自同步)。([维基百科][5])

命题 3.2(必要性:防“同物多表“指数爆炸)

若不施以“相邻尺度可重组“的唯一规范形,则等价表示的数目 指数增长,最小区分代价 比特,导致记录爆炸;Zeckendorf 将其压至 1。其为 Ostrowski 计数系统在黄金分数情形的特例,故具文法同构唯一性。([projecteuclid.org][8])

定理 3.3(Kraft〔前缀码〕充要;McMillan〔唯一可译码〕必要)

对前缀码,若且唯若 ,存在满足给定码长的前缀码(Kraft)。McMillan 证明:对任一唯一可译码,该不等式必成立(必要);结合 Kraft,可知对“存在某个唯一可译码以这些码长实现“同样是充要(取其前缀实现即可)。本文在 CID 中显式采用前缀码,以保证流式可解拼接无歧义。([维基百科][6])


4. RCA ⟷ CID:以扩展可逆 CA实现自译码

定理 4.1(嵌入定理)

对任意 RCA 与满足“前缀+唯一规范形“的编码器,存在扩展字母表 分布式日志轨写头/时钟轨)与可逆分块 CA ,使 其中 局部可逆转导器:每步在 的局部缓冲区写入至多 个码元,并由 控制有限距离移位/提交;于是逻辑上的“由若干步的局部写入/移位实现(带宽受 限制)。因此 仍有限,保持 CA 的局部性与可逆性。

此外,对任意 CA 可定义二阶可逆化 其中 为按元的可逆阿贝尔群运算(如按位 XOR)。其逆为 从而在不调用 的前提下给出可逆、有限半径的局部实现。意义:CID 作为 RCA 的一层,记录是动力学的可逆附载。([MIT CSAIL][7])


5. WSIG:相位—谱密度词典与非渐近误差闭合

定理 5.1(Birman–Kreĭn 与 Wigner–Smith)

散射对 -矩阵满足 。从而相位导数=延迟迹=负谱移密度。([imo.universite-paris-saclay.fr][3])

命题 5.2(窗化读数与三项误差闭合)

任何现实读数可写为 其中 指被测系统的目标符号/响应核(有界可测);为与 §6 统一,亦可记作 别名/EM/尾项三分分别由 Poisson 采样、Euler–Maclaurin 余项与截断引致;在严格带限且 Nyquist 取样时 。([lup.lub.lu.se][9])

定理 5.3(最优窗 KKT 与相位等距采样)

在带限偶窗类上极小化泄漏/方差型泛函,极小元满足 KKT;以相位测度 的等距节点 取样,可构造稳定 tight/dual 帧;Wexler–Raz 双正交与密度定理给出采样门槛与重建稳定性。([sites.math.duke.edu][10])


6. EBOC-Graph:静态块的图谱实现与 ζ-谱接口

定义 6.1(图谱滤波与叶-读取)

在无向图 上以 的谱为频域,构造滤波器 ;当滤波器 在某个 Bernstein 椭圆 )内解析时,其 Chebyshev 级数截断误差满足 的指数型界。为应用 Chebyshev 界,先将 线性缩放至 ,对 作 Chebyshev 级数展开;误差界仍为 (常数依赖于缩放)。叶-读取指对滤过信号的窗化采样与 I-投影提交。([科学直通车][4])

定理 6.2(非回溯谱与 Ihara–Bass 行列式)

设非回溯(Hashimoto)边邻接算子 ,则图 ζ 满足 其中 为图的连通分支数;对连通图 。把闭路计数与谱联系为行列式公式,适配窗化读数。([sas.rochester.edu][11])

命题 6.3(CA 的图表示)

De Bruijn 图刻画一维 CA 的局部一致性与可逆性;可在 EBOC-Graph 上以非回溯谱监控规则可逆与通量守恒。([wpmedia.wolfram.com][12])


7. 两条熵单调机制(与 RCA 守恒配合)

定理 7.1(双随机自平均 香农熵升)

双随机(置换矩阵凸包),则 (迈约化),香农熵 为 Schur-凹,故 。若此外 非置换矩阵且 不是 的不变分布(含非均匀),则严格不等式成立。

要点:HLP 迈约化定理与 Birkhoff–von Neumann 分解。([webpages.charlotte.edu][13])

定理 7.2(I-投影/KL 毕达哥拉斯)

在线性约束的指数族上,I-投影满足 故沿 I-投影轨迹 KL 非增,成为“完备性追求“的单调证书。([pages.stern.nyu.edu][2])


8. 三位一体(EBOC ↔ WSIG)的可检同构

定理 8.1(Born = I-投影;Pointer = 谱极小;Windows = 极大极小)

在“滤波—采样—提交“链中: 其中 Born 由 I-投影产出 ,指针基由谱极小给出主方向,窗的极大极小由 KKT 与 Chebyshev 误差界支撑。([pages.stern.nyu.edu][2])


9. 资源-有界不完备(RBIT)与“能增/停机“的边界

把资源统一到逻辑与统计两端:逻辑(可加公理/证明长度);统计(窗复杂度 、采样点 、样本量 )。当所有可实现窗的条件互信息 低于阈值且 I-投影的 KL 下降 时进入停机区;图谱侧阈值由 Chebyshev 近似误差 与帧下界给出预算-误差曲线。([math.mit.edu][14])


10. 可反驳判据(面向实验/算例)

  1. 记录熵曲线 必非降;当激活能区分新模式的窗/模型切换时呈台阶式上升;同时 (I-投影证书)。([pages.stern.nyu.edu][2])
  2. “无熵增”“停机”:在线检测 与基准窗的 三合一即判停机。([pages.stern.nyu.edu][2])
  3. 相位等距优于等距采样(有条件):在 单调且目标谱严格带限、所用窗族满足 KKT 最优条件时,同预算下相位等距()的重建误差不大于等距采样;若在这些前提下仍观察到显著更差误差,则可据此反驳“密度匹配“主张(Wexler–Raz/密度定理)。([sites.math.duke.edu][10])
  4. 别名归零:严格带限+Nyquist ;若观测到显著 alias,说明带限或 Nyquist 假设被破坏。([lup.lub.lu.se][9])
  5. 图谱 ζ 读数:用 重建非回溯谱密度;在 CA 的 De Bruijn 图上可复现实验。([sas.rochester.edu][11])

11. 工程蓝图(最短可用路径)

  • RCA 层:采用 Toffoli–Margolus 分块/门阵列实现;必要时二阶可逆化;以 Moore–Myhill 判据验证可逆。([MIT CSAIL][7])
  • CID 记录:底层 Zeckendorf 规范形与斐波那契前缀码;以 Kraft–McMillan 保障解码与拼接唯一;仅当“净码长下降“超过模型描述代价(MDL)才引入新模型(最小记录策略)。([维基百科][5])
  • WSIG 读数:以 BK & WS 连接相位/谱密度;误差账本按“别名 + EM 层 + 截断“三分解给定上界(Poisson/EM/Nyquist)。([imo.universite-paris-saclay.fr][3])
  • 采样与重建:相位等距 + 多窗 tight/dual;用 Wexler–Raz 校核双正交与密度阈值。([sites.math.duke.edu][10])
  • EBOC-Graph:Chebyshev 近似图滤波、帧下界最大化、I-投影提交;ζ-谱接口驱动非回溯谱的叶-读取。([科学直通车][4])

12. EBOC 与 RCA 的等价(窗-局部可逆完备)

定理 12.1(EBOC–RCA 半共轭/因子映射)

对任意半径 的一维(或有限维) CA 与满足“前缀+唯一规范形“的编码器,存在扩展字母表 、可逆分块 CA 及满射因子映射 使 即便 可逆, 一般也仅为满射的因子映射而非同胚(因扩展轨 的信息被遗忘);仅在采取平凡扩展 为单元集)时, 才与恒等同胚。若 不可逆,则 是其可逆包络,仅有半共轭而非同构。

证明要点:De Bruijn 图把局部规则嵌入非回溯路径;Toffoli–Margolus 分区给出可逆块实现;Durand-Lose 证明可逆 CA 可由可逆块 CA 复合表达;因子映射 的构造沿用 §4.1。([wpmedia.wolfram.com][12])


13. 讨论与延伸

  • 量子版(QCA):分区可逆结构推广至量子情形(广义 Margolus 分区);WSIG 的“相位—延迟—谱密度“在多通道散射与电磁/声学系统中已有统一表述。([arXiv][15])
  • 图谱多分辨:EBOC-Graph 下的多尺度核可用 Chebyshev/极小极大统一设计,指数级尾界 直接给出“预算-误差“函数。([科学直通车][4])

结论

我们给出了从可逆动力学(RCA)自指记录(CID)、再到窗化测量(WSIG)图谱实现(EBOC)闭合链:RCA 保障联合信息守恒;CID 的追加式日志使记录熵单调(常严格)上升,并与停机/I-投影定点等价;Zeckendorf + Kraft–McMillan 作为底层唯一规范形/前缀机制,根除“同物多表“爆炸并保持封闭可解;WSIG 把读数统一为相位—谱密度的窗化积分并给出非渐近误差闭合稳定采样/最优窗;EBOC-Graph 将其落实为叶-读取/提交ζ-谱接口的工程框架。核心环节均有公开判据/文献支撑,具备可检性与可实现性。


参考文献(选,按主题)

CA 可逆性与结构:Kari(综述,含 Garden-of-Eden);Toffoli–Margolus(分块可逆);Durand-Lose(可逆块 CA 表示);Bennett(逻辑可逆计算)。(ibisc.univ-evry.fr)

I-投影/KL:Csiszár(I-几何与 Pythagoras)。([pages.stern.nyu.edu][2])

BK/WS(相位—谱移—延迟):Guillarmou(Kreĭn 函数/行列式);Wigner(1955)、Smith(1960)。([imo.universite-paris-saclay.fr][3])

采样/帧(Wexler–Raz、Landau 密度):Daubechies–Landau–Landau;Heil(密度定理史)。([sites.math.duke.edu][10])

编码唯一性:Zeckendorf 定理与 Ostrowski 系统;Kraft–McMillan。([维基百科][5])

图谱/ζ-函数:Hammond–Vandergheynst–Gribonval(图小波/切比近似);Defferrard–Bresson–Vandergheynst(ChebNet);Ihara–Bass 行列式。([科学直通车][4])

近似与误差界:Chebyshev 近似的 收敛(Demanet–Ying/Trefethen)。([math.mit.edu][14])

De Bruijn 图与 CA:Sutner 等。([wpmedia.wolfram.com][12])


附:可直接用于实现的关键公式(供查用)

  • 记录熵增律
  • I-投影毕达哥拉斯
  • WSIG 统一式,其中
  • Ihara–Bass,其中 为连通分支数。
  • Chebyshev 误差(解析情形):若 内解析,则

[2]: https://pages.stern.nyu.edu/~dbackus/BCZ/entropy/Csiszar_geometry_AP_75.pdf?utm_source=chatgpt.com “-Divergence Geometry of Probability Distributions and …” [3]: https://www.imo.universite-paris-saclay.fr/~colin.guillarmou/krein4.pdf?utm_source=chatgpt.com “Generalized Krein formula, determinants and Selberg zeta …” [4]: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1063520310000552?utm_source=chatgpt.com “Wavelets on graphs via spectral graph theory” [5]: https://en.wikipedia.org/wiki/Zeckendorf%27s_theorem?utm_source=chatgpt.com “Zeckendorf’s theorem” [6]: https://en.wikipedia.org/wiki/Kraft%E2%80%93McMillan_inequality?utm_source=chatgpt.com “Kraft–McMillan inequality” [7]: https://people.csail.mit.edu/nhm/ica.pdf?utm_source=chatgpt.com “ICA - People | MIT CSAIL” [8]: https://projecteuclid.org/journals/notre-dame-journal-of-formal-logic/volume-59/issue-2/Ostrowski-Numeration-Systems-Addition-and-Finite-Automata/10.1215/00294527-2017-0027.pdf?utm_source=chatgpt.com “Ostrowski Numeration Systems, Addition, and Finite …” [9]: https://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9111889/file/9111893.pdf?utm_source=chatgpt.com “SAMPLING AND INTERPOLATION IN PALEY-WIENER …” [10]: https://sites.math.duke.edu/~ingrid/publications/J_Four_Anala_Appl_1_p437.pdf?utm_source=chatgpt.com “Gabor Time-Frequency Lattices and the Wexler–Raz Identity” [11]: https://www.sas.rochester.edu/mth/undergraduate/honorspaperspdfs/tongyuyang2021.pdf?utm_source=chatgpt.com “The Ihara Zeta function.” [12]: https://wpmedia.wolfram.com/sites/13/2018/02/05-1-3.pdf?utm_source=chatgpt.com “De Bruijn Graphs and Linear Cellular Automata - Wolfram” [13]: https://webpages.charlotte.edu/~ghetyei/courses/old/F23.3116/Birkhoff.pdf?utm_source=chatgpt.com “Birkhoff’s Theorem” [14]: https://math.mit.edu/sites/icg-new/papers/cheb-interp.pdf?utm_source=chatgpt.com “On Chebyshev interpolation of analytic functions” [15]: https://arxiv.org/abs/2003.06985?utm_source=chatgpt.com “Wigner-Smith Time Delay Matrix for Electromagnetics: Theory and Phenomenology”