EBOC–GLS 等价定理(观察范畴版)
Version: 1.9
摘要
在四条可检条件——全局幺正/可逆化、有限记忆/可马尔可夫化、带限与 Nyquist–Poisson–Euler–Maclaurin(NPE)有限阶闭合、时间账本对齐——之下,构造函子 、 与自然变换 ,证明二者在观察范畴中互为等价。桥梁为母刻度同一式 、,故 ()与窗化迹恒等式;NPE 纪律给出离散化与端点—尾项的非渐近闭合而不引入新奇性。由此,EBOC 的“静态块—因子译码—复杂度/熵账本“与 GLS 的“幺正散射—群延迟—窗化测度“逐窗一致。(ChaosBook)
0. 记号、对象与公理
0.1 EBOC 对象与观察读数
EBOC 对象写作 其中 为由有限邻域规则 定义的 SFT;时间子作用为 ; 为有限厚度的逐叶因子译码; 为 -不变遍历测度; 为通用半测度。采用四条可检公理:A0(静态块与可扩张)、A1(因果局域;有限传播半径)、A2(观察=因子译码)、A3(信息不增;因子熵单调)。SMB 与 Brudno 等式给出时间片族 上以 归一化的复杂度/熵密度对齐:几乎处处 这在 子移位情形可推广。(Project Euclid)
0.2 GLS 对象、母刻度与窗化读数
GLS 对象写作 其中 幺正且可微, 为 Wigner–Smith 群延迟矩阵,总群延迟 ;密度—延迟—相位满足 并与谱位移函数 由 Birman–Kreĭn 公式 联络,故 。(ChaosBook) 给定窗—核对 ,定义窗化读数 其中 表示相关运算:,。 设 为通道 的正交投影,定义通道群延迟矩阵 由此,沿通道 的窗化群延迟
0.3 NPE 有限阶误差学与采样闭合
若 带限,取 Nyquist 步长 使别名归零,则对 有严格采样 近带限时,别名项由 Poisson 求和控制,端点与尾项由有限阶 Euler–Maclaurin(EM)闭合,余项具显式 Bernoulli– 上界。(webusers.imj-prg.fr)
1. 观察范畴与主命题
1.1 观察范畴
记 之对象为“系统 读数字典“;态射为保持读数的因子/共轭(EBOC 侧为因子映射;GLS 侧为幺正共轭)。定义
1.2 主定理(观察范畴版等价)
在 A0–A3 与“四条件“下,存在函子 、 及自然变换 ,使 从而 在 中互为等价。
2. 技术引理与证明
引理 2.1(母刻度统一式)
若 幺正可微,定义 。则几乎处处 证明 由 Birman–Kreĭn 与 ,得 。令 得首式;设 则 ,故 得次式。(arXiv)
引理 2.2(窗化读数 = 压缩迹恒等式)
设 为自伴算子且 。令 ,并假设 ,并且 (例如: 且具紧支撑或快速衰减、,则 ;典型散射情形下 具有界变差并趋于常数。)定义 在此条件下分部积分无边界项,故 证明 由 Lifshits–Kreĭn 迹公式(), 按 §0.2 定义 与 ,分部积分给出 因而结论成立。幺正规型可由 Aleksandrov–Peller 的单位圆版本处理。(arXiv)
引理 2.3(Poisson–Nyquist 与 EM 闭合)
若 支持于 且 ,则 近带限时,加入 Poisson 别名上界与 EM 有界余项,得非渐近误差预算。(webusers.imj-prg.fr)
引理 2.4(SMB/Brudno 与因子熵单调)
对遍历 与因子 几乎处处 证明 SMB 与其多维推广给出熵率;Brudno 等式识别复杂度密度;因子熵单调来自滑块码理论(Lind–Marcus)。(Project Euclid)
引理 2.5(可马尔可夫化与 SFT 覆盖)
有限记忆(或经高阶块化后有限记忆)的观测序列形成 sofic 子移位;任一 sofic 移位均是某 SFT 的因子,因此存在 SFT 覆盖以局域约束实现该观测。(Cambridge University Press & Assessment)
引理 2.6(可逆化与 QCA 结构定理)
任意可逆经典 CA(或经 Bennett 寄存器扩张后的可逆化系统)可量子化为具有严格有限传播速度的 QCA 幺正 ,并可作广义 Margolus 分块;其逆仍为邻近耦合的 QCA。故存在 Floquet 单位步与散射表述。(mathweb.ucsd.edu)
3. 函子 的构造与证明
3.1 可逆化与散射化
对 施 Bennett 式“历史寄存器“扩张得可逆 CA;按 Schumacher–Werner 量子化为有限传播的 QCA 幺正 。在适当的定域—外域分解下构造散射矩阵族 与 Wigner–Smith 矩阵 。由 QCA 的结构定理, 可写成两步分块幺正,保证有限传播与结构可逆。(arXiv)
3.2 逐叶译码—窗核对齐
选取叶族 与有限厚度译码 ,以核厚度匹配叶步长,建立字典 由引理 2.1–2.2,逐窗读数满足 且所有读数以母刻度 统一。(arXiv)
3.3 NPE 闭合与“无新奇性“
若 带限且 Nyquist 采样,Poisson 混叠为零;近带限时以有限阶 EM 关闭端点与尾项。引理 2.3 确保余项具显式上界,函数类的解析/整性不劣化,满足“奇性不增“。(Massachusetts Institute of Technology)
3.4 时间账本与无信号
有限传播 幺正性给出无超锥传播(无信号);窗化时间 仅为刻度读数,因果偏序由前沿时间决定。由 SMB/Brudno 与因子熵单调,EBOC 时间片账本与 GLS 密度—延迟账本对齐。(ChaosBook)
定义 并约定 。
4. 函子 的构造与证明
4.1 带限离散化与压缩迹
设 。带限+Nyquist 时 近带限时加上有限阶 EM 余项闭合。算子层面,窗化压缩 满足 (引理 2.2)。(webusers.imj-prg.fr)
4.2 SFT 化与有限记忆译码
将采样值 量化为有限字母,辅以长度 的线性一致性约束(卷积/预测残差)得到 sofic 子移位;取其 SFT 覆盖并获得有限厚度译码 。由 SMB/Brudno 与因子熵单调,时间片极限统计与 对齐。(Cambridge University Press & Assessment)
4.3 因果与无信号的离散实现
带宽 有限相关长度 有限传播半径,可在 SFT 规则中以局域排他性与邻域约束实现因果偏序与无信号。 定义 且 。
5. 自然变换与范畴等价
自然变换 对每个 ,令 使对任意对齐字典 有 该同一在 NPE 预算内逐窗成立,并对因子态射交换。
自然变换 对每个 ,取去规范相位后的群延迟密度同一: 故一切 、 值保持。
等价性 由引理 2.1–2.3 的不变性与引理 2.4–2.6 的存在性, 为自然同构,故 在 上互为等价。(arXiv)
6. 关键步骤的详细证明
6.1 EBOC GLS:核算一致性的全细节
取任意带限 。由引理 2.1,母刻度同一式给出 且 。 由引理 2.2, EBOC 侧, 为有限厚度译码, 遍历且 为时间长度。由 Birkhoff/SMB 与 Brudno,-几乎处处有(假设 ) 于是 在时间密度刻度上逐窗一致。 (arXiv)
6.2 GLS EBOC:SFT 化的构造细节
令 。带限+Nyquist: 近带限时,有 其中 为用 Euler–Maclaurin 将 关闭到 的端点与尾项余量;若 支持于 ,则别名项为 ,退化为严格采样恒等式。将有限精度的采样值 量化为字母,在线性滤波一致性(长度 )下定义 sofic 子移位;取 SFT 覆盖得 与有限厚度译码 。由引理 2.2, 遂得 。(webusers.imj-prg.fr)
6.3 时间账本与无信号的保持
QCA 之有限传播与幺正性确保无超锥传播;窗化顺序仅影响刻度,不改变母刻度密度。EBOCGLS 往返中,因果前沿与偏序保持,而 仅作操作化刻度。(arXiv)
7. 必要—充分性论证
充分性 (a) 可逆化与量子化生成 、(引理 2.6); (b) 窗—核读数与译码读数在母刻度上线性一致(引理 2.1–2.2); (c) Poisson+EM 的 NPE 闭合给出非渐近误差预算且不引入新奇性(引理 2.3); (d) SMB/Brudno 与因子熵单调使复杂度/熵账本与密度—延迟账本对齐(引理 2.4)。
必要性 若无全局幺正/可逆化,则 不可良好定义;若无有限记忆/可马尔可夫化,则无法以有限厚度译码对齐窗—核字典;若失带限或违 Nyquist,Poisson 混叠破坏逐窗一致;若不进行 的账本对齐,SMB/Brudno 不能与窗化迹匹配。
8. 误差预算(NPE Discipline)
对任意 与近带限 ,令 ,取采样步长 、截断 、EM 阶数 ,并设 则有下述别名+EM 上界: 选择 以达目标精度阈值。(Massachusetts Institute of Technology)
9. 结论性定理(形式陈述)
定理 在 A0–A3 与“四条件“之下, 与自然变换 使 其核心恒等为 第一式由 Birman–Kreĭn 与 Wigner–Smith 结构推出,第二式由 Lifshits–Kreĭn 迹公式与窗化压缩导出;NPE 纪律提供非渐近闭合并避免新奇性。(arXiv)
参考锚点(可核查)
- Wigner–Smith 群延迟矩阵、总延迟与态密度的联系;教材/综述亦述及 的统计性质。(ChaosBook)
- Birman–Kreĭn 公式 与 的一般性。(arXiv)
- Lifshits–Kreĭn 迹公式与单位圆情形的 Kreĭn–Peller 扩展(算子 Lipschitz 类)。(arXiv)
- Poisson 求和与 EM 余项的显式上界及教材化推导。(webusers.imj-prg.fr)
- SMB 与 Brudno 等式的多维推广;因子熵单调与 sofic/SFT 覆盖。(Project Euclid)
- 可逆计算与 QCA 结构定理(广义 Margolus 分块、有限传播)。(mathweb.ucsd.edu)