Rel 4

header {* R4: Razonamiento sobre programas en Isabelle/HOL *}

theory R4
imports Main 
begin

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 1. Definir la función
     sumaImpares :: nat ⇒ nat
  tal que (sumaImpares n) es la suma de los n primeros números
  impares. Por ejemplo,
     sumaImpares 5  =  25
  ------------------------------------------------------------------ *}

fun sumaImpares :: "nat ⇒ nat" where
  "sumaImpares 0 = 0"
  |"sumaImpares (Suc n) = (2*(Suc n)-1) + sumaImpares n"


value "sumaImpares 5" -- "= 25"

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 2. Demostrar que 
     sumaImpares n = n*n
  ------------------------------------------------------------------- *}

lemma "sumaImpares n = n*n"
proof (induct n)
show "sumaImpares 0 = 0*0" by simp
next
fix n
assume HI:"sumaImpares n = n*n"
have "sumaImpares (Suc n) = (2*(Suc n)-1) + sumaImpares n" by simp
also have "... = (2*(Suc n)-1) + n*n" using HI by simp
also have "... = 2*(n+1)-1 + n*n" by simp
also have "... = 2*n + 1 + n*n" by simp
finally show "sumaImpares (Suc n) = (Suc n) * (Suc n)" by simp
qed


text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 3. Definir la función
     sumaPotenciasDeDosMasUno :: nat ⇒ nat
  tal que 
     (sumaPotenciasDeDosMasUno n) = 1 + 2^0 + 2^1 + 2^2 + ... + 2^n. 
  Por ejemplo, 
     sumaPotenciasDeDosMasUno 3  =  16
  ------------------------------------------------------------------ *}

fun sumaPotenciasDeDosMasUno :: "nat ⇒ nat" where
  "sumaPotenciasDeDosMasUno 0 = 2"
  |"sumaPotenciasDeDosMasUno (Suc n) = 2^(Suc n) + sumaPotenciasDeDosMasUno n"

value "sumaPotenciasDeDosMasUno 3" -- "= 16"

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 4. Demostrar que 
     sumaPotenciasDeDosMasUno n = 2^(n+1)
  ------------------------------------------------------------------- *}

lemma "sumaPotenciasDeDosMasUno n = 2^(n+1)"
proof (induct n)
show "sumaPotenciasDeDosMasUno 0 = 2^(0+1)" by simp
next
fix n
assume HI: "sumaPotenciasDeDosMasUno n = 2^(n+1)"
have "sumaPotenciasDeDosMasUno (Suc n)= 2^(Suc n) + sumaPotenciasDeDosMasUno n" by simp
also have "... = 2^(n+1) + 2^(n+1)" using HI by simp
also have "... = 2*2^(Suc n)" by simp
also have "... =2^(Suc n + 1)" by simp
finally show "sumaPotenciasDeDosMasUno (Suc n) = 2^(Suc n + 1)" by simp
qed

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 5. Definir la función
     copia :: nat ⇒ 'a ⇒ 'a list
  tal que (copia n x) es la lista formado por n copias del elemento
  x. Por ejemplo, 
     copia 3 x = [x,x,x]
  ------------------------------------------------------------------ *}

fun copia :: "nat ⇒ 'a ⇒ 'a list" where
  "copia 0 x = []"
  |"copia (Suc n) x = x# copia n x"

value "copia 3 x" -- "= [x,x,x]"

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 6. Definir la función
     todos :: ('a ⇒ bool) ⇒ 'a list ⇒ bool
  tal que (todos p xs) se verifica si todos los elementos de xs cumplen
  la propiedad p. Por ejemplo,
     todos (λx. x>(1::nat)) [2,6,4] = True
     todos (λx. x>(2::nat)) [2,6,4] = False
  Nota: La conjunción se representa por ∧
  ----------------------------------------------------------------- *}

fun todos :: "('a ⇒ bool) ⇒ 'a list ⇒ bool" where
  "todos p [] = True"
  |"todos p (x#xs) = (p x ∧ todos p xs)"

value "todos (λx. x>(1::nat)) [2,6,4]" -- "= True"
value "todos (λx. x>(2::nat)) [2,6,4]" -- "= False"

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 7. Demostrar que todos los elementos de (copia n x) son
  iguales a x. 
  ------------------------------------------------------------------- *}

lemma "todos (λy. y=x) (copia n x)"
oops

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 8. Definir la función
    factR :: nat ⇒ nat
  tal que (factR n) es el factorial de n. Por ejemplo,
    factR 4 = 24
  ------------------------------------------------------------------ *}

fun factR :: "nat ⇒ nat" where
  "factR 0 = 1"
  |"factR (Suc n) = (Suc n)*(factR n)"

value "factR 4" -- "= 24"

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 9. Se considera la siguiente definición iterativa de la
  función factorial 
     factI :: "nat ⇒ nat" where
     factI n = factI' n 1
     
     factI' :: nat ⇒ nat ⇒ nat" where
     factI' 0       x = x
     factI' (Suc n) x = factI' n (Suc n)*x
  Demostrar que, para todo n y todo x, se tiene 
     factI' n x = x * factR n
  ------------------------------------------------------------------- *}

fun factI' :: "nat ⇒ nat ⇒ nat" where
  "factI' 0       x = x"
| "factI' (Suc n) x = factI' n (Suc n)*x"

fun factI :: "nat ⇒ nat" where
  "factI n = factI' n 1"

value "factI 4" -- "= 24"
     
lemma fact: "factI' n x = x * factR n"
oops

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 10. Demostrar que
     factI n = factR n
  ------------------------------------------------------------------- *}

corollary "factI n = factR n"
oops

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 11. Definir, recursivamente y sin usar (@), la función
     amplia :: 'a list ⇒ 'a ⇒ 'a list
  tal que (amplia xs y) es la lista obtenida añadiendo el elemento y al
  final de la lista xs. Por ejemplo,
     amplia [d,a] t = [d,a,t]
  ------------------------------------------------------------------ *}

fun amplia :: "'a list ⇒ 'a ⇒ 'a list" where
  "amplia [] y = [y]"
  |"amplia (x#xs) y = x# amplia xs y"
  
value "amplia [d,a] t" -- "= [d,a,t]"

text {* --------------------------------------------------------------- 
  Ejercicio 12. Demostrar que 
     amplia xs y = xs @ [y]
  ------------------------------------------------------------------- *}

lemma "amplia xs y = xs @ [y]"
proof (induct xs)
show "amplia [] y = [] @ [y]" by simp
next
fix x xs
assume HI:"amplia xs y = xs @ [y]"
have "amplia (x#xs) y = x# amplia xs y " by simp
also have "... = x# xs @[y]" using HI by simp
also have "... = (x#xs)@[y]" by simp
finally show "amplia (x#xs) y = (x#xs) @ [y]" by simp
qed

end