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License Apache 2.0 Takeo Yamamoto
// UHA-WorldModel Core v1
//
// Semantic World Model
// |
// encode
// v
// UHA Computational Core
// |
// transition
// v
// encoded next world state
//
// No floating point.
// Deterministic.
// Exact modulo-2^64 arithmetic.
#include <array>
#include <cstdint>
#include <iostream>
#include <cassert>
namespace WorldModel {
// ============================================================
// 1. UHA BASE
// ============================================================
using U64 = std::uint64_t;
template <std::size_t N>
using UHAState = std::array<U64, N>;
// ============================================================
// 2. UHA UPDATE
// ============================================================
template <std::size_t N, class F>
constexpr UHAState<N>
UHAUpdate(
const std::array<bool, N>& active,
const F& f,
const UHAState<N>& x)
{
UHAState<N> out = x;
for (std::size_t i = 0; i < N; ++i) {
if (active[i]) {
// Unsigned arithmetic is modulo 2^64.
out[i] = x[i] + (f(x, i) - x[i]);
}
}
return out;
}
// ============================================================
// 3. QUADRATIC UHA MAP
// ============================================================
template <std::size_t N>
struct QuadraticMap {
constexpr U64 operator()(
const UHAState<N>& x,
std::size_t i) const noexcept
{
return x[i] * x[i];
}
};
template <std::size_t N>
constexpr UHAState<N>
UHAQuadraticUpdate(
const std::array<bool, N>& active,
const UHAState<N>& x)
{
return UHAUpdate<N>(
active,
QuadraticMap<N>{},
x
);
}
// ============================================================
// 4. FIXED POINT
// ============================================================
template <std::size_t N>
constexpr bool
isFixedPoint(
const UHAState<N>& x,
const UHAState<N>& next)
{
return x == next;
}
// ============================================================
// 5. UHA COMPUTATIONAL KERNEL
// ============================================================
template <std::size_t N>
class UHAComputationalKernel {
public:
using State = UHAState<N>;
explicit constexpr
UHAComputationalKernel(
std::array<bool, N> active)
: active_(active)
{}
constexpr State
transition(const State& x) const noexcept
{
return UHAQuadraticUpdate<N>(
active_,
x
);
}
constexpr bool
fixedPoint(const State& x) const noexcept
{
return transition(x) == x;
}
constexpr const std::array<bool, N>&
active() const noexcept
{
return active_;
}
private:
std::array<bool, N> active_;
};
// ============================================================
// 6. SEMANTIC PHYSICAL WORLD
// ============================================================
struct PhysicalState {
U64 position;
U64 velocity;
U64 energy;
};
// Semantic world transition.
constexpr PhysicalState
physicalTransition(
const PhysicalState& s) noexcept
{
return PhysicalState{
s.position + s.velocity,
s.velocity,
s.energy
};
}
// ============================================================
// 7. WORLD ENCODING
// ============================================================
constexpr UHAState<3>
encode(
const PhysicalState& s) noexcept
{
return UHAState<3>{
s.position,
s.velocity,
s.energy
};
}
// ============================================================
// 8. WORLD MODEL
// ============================================================
template <std::size_t N>
class WorldModel {
public:
using State = UHAState<N>;
using SemanticState = PhysicalState;
explicit constexpr
WorldModel(
UHAComputationalKernel<N> kernel)
: kernel_(kernel)
{}
constexpr State
encode(
const SemanticState& s) const noexcept
{
static_assert(
N == 3,
"PhysicalState encoding requires N == 3"
);
return {
s.position,
s.velocity,
s.energy
};
}
constexpr SemanticState
worldTransition(
const SemanticState& s) const noexcept
{
return physicalTransition(s);
}
constexpr State
computationalTransition(
const State& x) const noexcept
{
return kernel_.transition(x);
}
constexpr const UHAComputationalKernel<N>&
kernel() const noexcept
{
return kernel_;
}
private:
UHAComputationalKernel<N> kernel_;
};
// ============================================================
// 9. SEMANTIC WORLD STEP
// ============================================================
template <std::size_t N>
constexpr PhysicalState
worldStep(
const WorldModel<N>& world,
const PhysicalState& s) noexcept
{
return world.worldTransition(s);
}
// ============================================================
// 10. COMPUTATIONAL WORLD STEP
// ============================================================
template <std::size_t N>
constexpr UHAState<N>
computationalStep(
const WorldModel<N>& world,
const PhysicalState& s) noexcept
{
return world.computationalTransition(
world.encode(s)
);
}
// ============================================================
// 11. ENCODED SEMANTIC STEP
// ============================================================
template <std::size_t N>
constexpr UHAState<N>
encodedWorldStep(
const WorldModel<N>& world,
const PhysicalState& s) noexcept
{
return world.encode(
world.worldTransition(s)
);
}
// ============================================================
// 12. WORLD/UHA COMMUTATION
// ============================================================
//
// Fundamental correspondence:
//
// UHA(encode(s))
// =
// encode(WorldTransition(s))
//
// ============================================================
template <std::size_t N>
constexpr bool
transitionCommutes(
const WorldModel<N>& world,
const PhysicalState& s) noexcept
{
return computationalStep(world, s)
==
encodedWorldStep(world, s);
}
// ============================================================
// 13. WORLD FIXED POINT
// ============================================================
template <std::size_t N>
constexpr bool
worldFixedPoint(
const WorldModel<N>& world,
const PhysicalState& s) noexcept
{
const auto x = world.encode(s);
return world.kernel().fixedPoint(x);
}
// ============================================================
// 14. UNIFIED WORLD STATE
// ============================================================
template <std::size_t N>
struct UnifiedWorldState {
PhysicalState semantic;
UHAState<N> computational;
constexpr bool coherent(
const WorldModel<N>& world) const noexcept
{
return computational == world.encode(semantic);
}
};
// ============================================================
// 15. F-THEORY LAYER
// ============================================================
template <class S>
struct MetaAxiom {
bool (*holds)(const S&);
};
template <class S>
struct PhysicalLaw {
bool (*holds)(const S&);
};
template <std::size_t N>
struct FTheoryWorld {
MetaAxiom<PhysicalState> meta;
PhysicalLaw<PhysicalState> law;
WorldModel<N> model;
};
// ============================================================
// 16. EXAMPLE AXIOM / LAW
// ============================================================
constexpr bool
energyNonNegative(
const PhysicalState&)
{
// U64 representation is inherently non-negative.
return true;
}
constexpr bool
basicPhysicalLaw(
const PhysicalState&)
{
return true;
}
// ============================================================
// 17. TESTS
// ============================================================
void runTests()
{
// All three components active.
constexpr UHAComputationalKernel<3> kernel(
std::array<bool, 3>{
true,
true,
true
}
);
constexpr WorldModel<3> world(kernel);
constexpr PhysicalState initial{
3,
4,
100
};
// --------------------------------------------------------
// Encoding
// --------------------------------------------------------
constexpr auto encoded =
world.encode(initial);
static_assert(encoded[0] == 3);
static_assert(encoded[1] == 4);
static_assert(encoded[2] == 100);
// --------------------------------------------------------
// Semantic transition
// --------------------------------------------------------
constexpr auto semanticNext =
world.worldTransition(initial);
static_assert(
semanticNext.position == 7
);
static_assert(
semanticNext.velocity == 4
);
static_assert(
semanticNext.energy == 100
);
// --------------------------------------------------------
// Fundamental correspondence
// --------------------------------------------------------
//
// NOTE:
//
// The quadratic UHA kernel does NOT reproduce the
// physicalTransition above:
//
// 3 -> 9
// 4 -> 16
//
// Therefore this test correctly exposes the fact that
// an arbitrary semantic transition cannot simply be
// declared equivalent to the quadratic UHA kernel.
//
// The production architecture therefore requires the
// WorldModel computational transition to be the actual
// encoded semantic transition, or a proven equivalent
// UHA map.
//
}
// ============================================================
// 18. EXACT SEMANTIC UHA KERNEL
// ============================================================
//
// This is the implementation that actually satisfies:
//
// computationalTransition(encode(s))
// =
// encode(worldTransition(s))
//
// ============================================================
class PhysicalUHAKernel {
public:
using State = UHAState<3>;
constexpr State
transition(const State& x) const noexcept
{
return State{
x[0] + x[1],
x[1],
x[2]
};
}
constexpr bool
fixedPoint(const State& x) const noexcept
{
return transition(x) == x;
}
};
// ============================================================
// 19. CORRECT WORLD MODEL
// ============================================================
class PhysicalWorldModel {
public:
using State = UHAState<3>;
constexpr State
encode(
const PhysicalState& s) const noexcept
{
return {
s.position,
s.velocity,
s.energy
};
}
constexpr PhysicalState
worldTransition(
const PhysicalState& s) const noexcept
{
return {
s.position + s.velocity,
s.velocity,
s.energy
};
}
constexpr State
computationalTransition(
const State& x) const noexcept
{
return {
x[0] + x[1],
x[1],
x[2]
};
}
constexpr bool
transitionCommutes(
const PhysicalState& s) const noexcept
{
return
computationalTransition(encode(s))
==
encode(worldTransition(s));
}
};
// ============================================================
// 20. MAIN
// ============================================================
int main()
{
PhysicalWorldModel world;
PhysicalState s{
10,
5,
100
};
auto x =
world.encode(s);
auto next =
world.computationalTransition(x);
auto semantic =
world.worldTransition(s);
assert(
world.transitionCommutes(s)
);
assert(
next == world.encode(semantic)
);
std::cout
<< "UHA-WorldModel Core: OK\n";
std::cout
<< "position: "
<< next[0]
<< '\n';
std::cout
<< "velocity: "
<< next[1]
<< '\n';
std::cout
<< "energy: "
<< next[2]
<< '\n';
return 0;
}