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Diferencia entre revisiones de «Razonamiento sobre programas en Isabelle/HOL»

De Lógica matemática y fundamentos (2018-19)

 
 
(No se muestran 6 ediciones intermedias de 2 usuarios)
Línea 1: Línea 1:
 
<source lang="isabelle">
 
<source lang="isabelle">
chapter {* Tema 6: Razonamiento estructurado sobre programas *}
+
chapter ‹Tema 6: Razonamiento sobre programas›
  
 
theory T6_Razonamiento_sobre_programas
 
theory T6_Razonamiento_sobre_programas
Línea 6: Línea 6:
 
begin
 
begin
  
text {*
+
text ‹En este tema se demuestra con Isabelle las propiedades de los
  En este tema se demuestra con Isabelle las propiedades de los
+
   programas funcionales de tema 6 http://bit.ly/2Za6YWY
   programas funcionales como se expone en el tema 2a y se demostraron
 
  automáticamente en el tema 2b. A diferencia del tema 2b, ahora
 
  nos fijamos no sólo en el método de demostración sino en la estructura
 
  de la prueba resaltando su semejanza con las del tema 2a. *}
 
  
declare [[names_short]]
+
  Para cada propiedades se presentan distintos tipos de demostraciones:
 +
  automáticas, aplicativas y declarativas.›
  
section {* Razonamiento ecuacional *}
+
section ‹Razonamiento ecuacional›
  
text {* ----------------------------------------------------------------
+
text ‹-----------------------------------------------------------------
 
   Ejemplo 1. Definir, por recursión, la función
 
   Ejemplo 1. Definir, por recursión, la función
 
     longitud :: 'a list ⇒ nat
 
     longitud :: 'a list ⇒ nat
 
   tal que (longitud xs) es la longitud de la listas xs. Por ejemplo,
 
   tal que (longitud xs) es la longitud de la listas xs. Por ejemplo,
 
     longitud [a,c,d] = 3
 
     longitud [a,c,d] = 3
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   --------------------------------------------------------------------›
  
 
fun longitud :: "'a list ⇒ nat" where
 
fun longitud :: "'a list ⇒ nat" where
Línea 30: Línea 27:
 
value "longitud [a,c,d] = 3"
 
value "longitud [a,c,d] = 3"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 2. Demostrar que  
 
   Ejemplo 2. Demostrar que  
 
     longitud [a,c,d] = 3
 
     longitud [a,c,d] = 3
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
  
 
lemma "longitud [a,c,d] = 3"
 
lemma "longitud [a,c,d] = 3"
by simp
+
  apply simp
 +
  done
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
lemma "longitud [a,c,d] = 3"
 +
  by simp
 +
 
 +
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 3. Definir la función
 
   Ejemplo 3. Definir la función
 
     fun intercambia :: 'a × 'b ⇒ 'b × 'a
 
     fun intercambia :: 'a × 'b ⇒ 'b × 'a
Línea 44: Línea 45:
 
   componentes del par p. Por ejemplo,
 
   componentes del par p. Por ejemplo,
 
     intercambia (u,v) = (v,u)
 
     intercambia (u,v) = (v,u)
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun intercambia :: "'a × 'b ⇒ 'b × 'a" where
 
fun intercambia :: "'a × 'b ⇒ 'b × 'a" where
Línea 51: Línea 52:
 
value "intercambia (u,v) = (v,u)"
 
value "intercambia (u,v) = (v,u)"
  
text {*
+
text ‹La definición de la función intercambia genera una regla de
  La definición de la función intercambia genera una regla de
 
 
   simplificación
 
   simplificación
 
   · intercambia.simps: intercambia (x,y) = (y,x)
 
   · intercambia.simps: intercambia (x,y) = (y,x)
Línea 58: Línea 58:
 
   Se puede ver con  
 
   Se puede ver con  
 
   · thm intercambia.simps  
 
   · thm intercambia.simps  
*}
+
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
thm intercambia.simps
 +
(* da intercambia (?x, ?y) = (?y, ?x) *)
 +
 
 +
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 4. (p.6) Demostrar que  
 
   Ejemplo 4. (p.6) Demostrar que  
 
     intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)
 
     intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
 +
 
 +
(* Demostración automática *)
 +
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 +
  by auto
 +
 
 +
(* Demostración automática 1 *)
 +
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 +
  by simp
 +
 
 +
(* Demostración automática 2 *)
 +
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 +
  by (simp only: intercambia.simps)
  
 
(* Demostración aplicativa *)
 
(* Demostración aplicativa *)
Línea 70: Línea 85:
 
   done
 
   done
  
(* Demostración declarativa *)
+
(* Demostración declarativa 1 *)
 +
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 +
proof -
 +
  have "intercambia (intercambia (x,y)) = intercambia (y,x)" 
 +
    by simp
 +
  also have "… = (x,y)"
 +
    by simp
 +
  finally show "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 +
    by simp
 +
qed
 +
 
 +
(* Demostración detallada *)
 
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 
proof -
 
proof -
 
   have "intercambia (intercambia (x,y)) = intercambia (y,x)"   
 
   have "intercambia (intercambia (x,y)) = intercambia (y,x)"   
 
     by (simp only: intercambia.simps)
 
     by (simp only: intercambia.simps)
   also have "... = (x,y)"  
+
   also have "= (x,y)"  
 
     by (simp only: intercambia.simps)
 
     by (simp only: intercambia.simps)
 
   finally show "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"  
 
   finally show "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"  
Línea 81: Línea 107:
 
qed
 
qed
  
text {*
+
text ‹Notas sobre el lenguaje: En la demostración anterior se ha usado
  Notas sobre el lenguaje: En la demostración anterior se ha usado
 
 
   · "proof" para iniciar la prueba,
 
   · "proof" para iniciar la prueba,
 
   · "-" (después de "proof") para no usar el método por defecto,
 
   · "-" (después de "proof") para no usar el método por defecto,
Línea 90: Línea 115:
 
     intercambia,
 
     intercambia,
 
   · "also" para encadenar pasos ecuacionales,
 
   · "also" para encadenar pasos ecuacionales,
   · "..." para representar la derecha de la igualdad anterior en un
+
   · "" para representar la derecha de la igualdad anterior en un
 
     razonamiento ecuacional,
 
     razonamiento ecuacional,
 
   · "finally" para indicar el último pasa de un razonamiento ecuacional,
 
   · "finally" para indicar el último pasa de un razonamiento ecuacional,
 
   · "show" para establecer la conclusión.
 
   · "show" para establecer la conclusión.
 
   · "by simp" para indicar el método de demostración por simplificación y  
 
   · "by simp" para indicar el método de demostración por simplificación y  
   · "qed" para terminar la pruebas,
+
   · "qed" para terminar la pruebas.›
*}
 
  
(* Demostración declarativa simplificada *)
+
text ---------------------------------------------------------------  
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 
proof -
 
  have "intercambia (intercambia (x,y)) = intercambia (y,x)"  by simp
 
  also have "... = (x,y)" by simp
 
  finally show "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)" by simp
 
qed
 
 
 
text {*
 
  Nota: La diferencia entre las dos demostraciones es que en los dos
 
  primeros pasos no se explicita la regla de simplificación.
 
*}
 
 
 
(* Demostración automática *)
 
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
 
  by simp
 
 
 
text {* ---------------------------------------------------------------  
 
 
   Ejemplo 5. Definir, por recursión, la función
 
   Ejemplo 5. Definir, por recursión, la función
 
     inversa :: 'a list ⇒ 'a list
 
     inversa :: 'a list ⇒ 'a list
Línea 121: Línea 128:
 
   elementos de xs. Por ejemplo,
 
   elementos de xs. Por ejemplo,
 
     inversa [a,d,c] = [c,d,a]
 
     inversa [a,d,c] = [c,d,a]
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun inversa :: "'a list ⇒ 'a list" where
 
fun inversa :: "'a list ⇒ 'a list" where
Línea 129: Línea 136:
 
value "inversa [a,d,c] = [c,d,a]"
 
value "inversa [a,d,c] = [c,d,a]"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 6. (p. 9) Demostrar que  
 
   Ejemplo 6. (p. 9) Demostrar que  
 
     inversa [x] = [x]
 
     inversa [x] = [x]
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
 +
 
 +
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "inversa [x] = [x]"
 +
  by simp
  
 
(* La demostración aplicativa es *)
 
(* La demostración aplicativa es *)
Línea 139: Línea 150:
 
   done
 
   done
  
text {*
+
text ‹En la demostración anterior se usaron las siguientes reglas:
  En la demostración anterior se usaron las siguientes reglas:
 
 
   · inversa.simps(1): inversa [] = []
 
   · inversa.simps(1): inversa [] = []
 
   · inversa.simps(2): inversa (x#xs) = inversa xs @ [x]
 
   · inversa.simps(2): inversa (x#xs) = inversa xs @ [x]
 
   · append_Nil:      [] @ ys = ys
 
   · append_Nil:      [] @ ys = ys
 
   Vamos a explicitar su aplicación.
 
   Vamos a explicitar su aplicación.
*}
+
 
+
 
 +
find_theorems
 +
find_theorems "_ @ _ = _"
 +
find_theorems "[] @ _ = _"
 +
 
 
(* La demostración aplicativa detallada es *)
 
(* La demostración aplicativa detallada es *)
 
lemma "inversa [x] = [x]"
 
lemma "inversa [x] = [x]"
   apply (simp only: inversa.simps(2))
+
   apply (simp only: inversa.simps(2)) (* inversa [] @ [x] = [x] *)
   apply (simp only: inversa.simps(1))
+
   apply (simp only: inversa.simps(1)) (* [] @ [x] = [x] *)
   apply (simp only: append_Nil)
+
   apply (simp only: append_Nil)      (* No subgoals! *)
 
   done
 
   done
  
(* La demostración declarativa es *)
+
(* La demostración declarativa simplificada es *)
 
lemma "inversa [x] = [x]"
 
lemma "inversa [x] = [x]"
 
proof -
 
proof -
 
   have "inversa [x] = inversa (x#[])" by simp
 
   have "inversa [x] = inversa (x#[])" by simp
   also have "... = (inversa []) @ [x]" by (simp only: inversa.simps(2))
+
   also have "= (inversa []) @ [x]" by simp
   also have "... = [] @ [x]" by (simp only: inversa.simps(1))
+
   also have "= [] @ [x]" by simp
   also have "... = [x]" by (simp only: append_Nil)
+
   also have "= [x]" by simp  
 
   finally show "inversa [x] = [x]" by simp
 
   finally show "inversa [x] = [x]" by simp
 
qed
 
qed
  
(* La demostración declarativa simplificada es *)
+
(* La demostración declarativa detallada es *)
 
lemma "inversa [x] = [x]"
 
lemma "inversa [x] = [x]"
 
proof -
 
proof -
   have "inversa [x] = inversa (x#[])" by simp
+
   have "inversa [x] = inversa (x#[])"
   also have "... = (inversa []) @ [x]" by simp
+
    by simp
   also have "... = [] @ [x]" by simp
+
   also have "= (inversa []) @ [x]"  
   also have "... = [x]" by simp  
+
    by (simp only: inversa.simps(2))
 +
   also have "= [] @ [x]"  
 +
    by (simp only: inversa.simps(1))
 +
   also have "= [x]"  
 +
    by (simp only: append_Nil)
 
   finally show "inversa [x] = [x]" by simp
 
   finally show "inversa [x] = [x]" by simp
 
qed
 
qed
  
(* La demostración automática es *)
+
section ‹Razonamiento por inducción sobre los naturales
lemma "inversa [x] = [x]"
 
  by simp
 
 
 
section {* Razonamiento por inducción sobre los naturales *}
 
  
text {*
+
text [Principio de inducción sobre los naturales] Para demostrar una
  [Principio de inducción sobre los naturales] Para demostrar una
 
 
   propiedad P para todos los números naturales basta probar que el 0
 
   propiedad P para todos los números naturales basta probar que el 0
 
   tiene la propiedad P y que si n tiene la propiedad P, entonces n+1
 
   tiene la propiedad P y que si n tiene la propiedad P, entonces n+1
Línea 190: Línea 203:
 
   formalizado en el teorema nat.induct y puede verse con
 
   formalizado en el teorema nat.induct y puede verse con
 
     thm nat.induct
 
     thm nat.induct
*}
+
 +
 
 +
thm nat.induct
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 7. Definir la función
 
   Ejemplo 7. Definir la función
 
     repite :: nat ⇒ 'a ⇒ 'a list
 
     repite :: nat ⇒ 'a ⇒ 'a list
Línea 198: Línea 213:
 
   x. Por ejemplo,  
 
   x. Por ejemplo,  
 
     repite 3 a = [a,a,a]
 
     repite 3 a = [a,a,a]
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun repite :: "nat ⇒ 'a ⇒ 'a list" where
 
fun repite :: "nat ⇒ 'a ⇒ 'a list" where
Línea 206: Línea 221:
 
value "repite 3 a = [a,a,a]"
 
value "repite 3 a = [a,a,a]"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 8. (p. 18) Demostrar que  
 
   Ejemplo 8. (p. 18) Demostrar que  
 
     longitud (repite n x) = n
 
     longitud (repite n x) = n
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
  
 
(* La demostración aplicativa es *)
 
(* La demostración aplicativa es *)
 
lemma "longitud (repite n x) = n"
 
lemma "longitud (repite n x) = n"
   apply (induct n)
+
   apply (induct n) (* 1. longitud (repite 0 x) = 0
   apply simp_all
+
                      2. ⋀n. longitud (repite n x) = n ⟹
 +
                        longitud (repite (Suc n) x) = Suc n *)
 +
  apply simp      (* 1. ⋀n. longitud (repite n x) = n ⟹
 +
                        longitud (repite (Suc n) x) = Suc n *)
 +
  apply simp      (* No subgoals *)
 +
  done
 +
 
 +
(* La demostración aplicativa con simp_all es *)
 +
lemma "longitud (repite n x) = n"
 +
  apply (induct n) (* 1. longitud (repite 0 x) = 0
 +
                      2. ⋀n. longitud (repite n x) = n ⟹
 +
                        longitud (repite (Suc n) x) = Suc n *)
 +
   apply simp_all (* No subgoals *)
 
   done
 
   done
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "longitud (repite n x) = n"
 +
  by (induct n) simp_all
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 
lemma "longitud (repite n x) = n"
 
lemma "longitud (repite n x) = n"
 
proof (induct n)
 
proof (induct n)
   show "longitud (repite 0 x) = 0" by simp
+
   show "longitud (repite 0 x) = 0"  
 +
    by simp
 
next  
 
next  
 
   fix n
 
   fix n
Línea 226: Línea 258:
 
   have "longitud (repite (Suc n) x) = longitud (x # (repite n x))"  
 
   have "longitud (repite (Suc n) x) = longitud (x # (repite n x))"  
 
     by simp
 
     by simp
   also have "... = 1 + longitud (repite n x)" by simp
+
   also have "= 1 + longitud (repite n x)"  
   also have "... = 1 + n" using HI by simp
+
    by simp
   finally show "longitud (repite (Suc n) x) = Suc n" by simp
+
   also have "= 1 + n"  
 +
    using HI by simp
 +
   finally show "longitud (repite (Suc n) x) = Suc n"  
 +
    by simp
 
qed
 
qed
  
text {*
+
text ‹Comentarios sobre la demostración anterior:
  Comentarios sobre la demostración anterior:
 
 
   · A la derecha de proof se indica el método de la demostración.
 
   · A la derecha de proof se indica el método de la demostración.
 
   · (induct n) indica que la demostración se hará por inducción en n.
 
   · (induct n) indica que la demostración se hará por inducción en n.
Línea 238: Línea 272:
 
     inducción:
 
     inducción:
 
     1. longitud (repite 0 x) = 0
 
     1. longitud (repite 0 x) = 0
     2. ⋀n. longitud (repite n x) = n ⟹ longitud (repite (Suc n) x) = Suc n
+
     2. ⋀n. longitud (repite n x) = n ⟹  
 +
            longitud (repite (Suc n) x) = Suc n
 
     donde ⋀n se lee "para todo n".   
 
     donde ⋀n se lee "para todo n".   
 
   · "next" indica el siguiente subobjetivo.
 
   · "next" indica el siguiente subobjetivo.
Línea 244: Línea 279:
 
   · assume HI: "longitud (repite n x) = n" indica «supongamos que  
 
   · assume HI: "longitud (repite n x) = n" indica «supongamos que  
 
     "longitud (repite n x) = n" y sea HI la etiqueta de este supuesto».
 
     "longitud (repite n x) = n" y sea HI la etiqueta de este supuesto».
   · "using HI" usando la propiedad etiquetada con HI.  
+
   · "using HI" usando la propiedad etiquetada con HI.
*}
 
  
(* La demostración automática es *)
+
(* La demostración declarativa detallada es *)
 
lemma "longitud (repite n x) = n"
 
lemma "longitud (repite n x) = n"
   by (induct n) auto
+
proof (induct n)
 +
  show "longitud (repite 0 x) = 0"
 +
    by (simp only: repite.simps(1)
 +
                  longitud.simps(1))
 +
next
 +
  fix n
 +
  assume HI: "longitud (repite n x) = n"
 +
  have "longitud (repite (Suc n) x) = longitud (x # (repite n x))"
 +
    by (simp only: repite.simps(2))
 +
  also have "… = 1 + longitud (repite n x)"
 +
    by (simp only: longitud.simps(2))
 +
  also have "… = 1 + n"
 +
    by (simp only: HI)
 +
   also have "… = Suc n"
 +
    find_theorems "Suc _ = _ + _"
 +
    by (simp only: Suc_eq_plus1_left)
 +
  finally show "longitud (repite (Suc n) x) = Suc n"
 +
    by this
 +
qed
  
section {* Razonamiento por inducción sobre listas *}
+
section ‹Razonamiento por inducción sobre listas
  
text {*
+
text ‹Para demostrar una propiedad para todas las listas basta demostrar
  Para demostrar una propiedad para todas las listas basta demostrar
 
 
   que la lista vacía tiene la propiedad y que al añadir un elemento a
 
   que la lista vacía tiene la propiedad y que al añadir un elemento a
 
   una lista que tiene la propiedad se obtiene otra lista que también
 
   una lista que tiene la propiedad se obtiene otra lista que también
Línea 264: Línea 315:
 
       ⋀x xs. P xs ⟹ P (x#xs)⟧  
 
       ⋀x xs. P xs ⟹ P (x#xs)⟧  
 
     ⟹ P xs
 
     ⟹ P xs
*}
+
 +
 
 +
thm list.induct
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 9. Definir la función
 
   Ejemplo 9. Definir la función
 
     conc :: 'a list ⇒ 'a list ⇒ 'a list
 
     conc :: 'a list ⇒ 'a list ⇒ 'a list
Línea 272: Línea 325:
 
   ejemplo,  
 
   ejemplo,  
 
     conc [a,d] [b,d,a,c] = [a,d,b,d,a,c]
 
     conc [a,d] [b,d,a,c] = [a,d,b,d,a,c]
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun conc :: "'a list ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
 
fun conc :: "'a list ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
Línea 280: Línea 333:
 
value "conc [a,d] [b,d,a,c] = [a,d,b,d,a,c]"
 
value "conc [a,d] [b,d,a,c] = [a,d,b,d,a,c]"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 10. (p. 24) Demostrar que  
 
   Ejemplo 10. (p. 24) Demostrar que  
 
     conc xs (conc ys zs) = (conc xs ys) zs
 
     conc xs (conc ys zs) = (conc xs ys) zs
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración aplicativa es *)
 +
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
 +
  apply (induct xs) (*  1. conc [] (conc ys zs) = conc (conc [] ys) zs
 +
                        2. ⋀a xs.
 +
                              conc xs (conc ys zs) =
 +
                              conc (conc xs ys) zs ⟹
 +
                              conc (a # xs) (conc ys zs) =
 +
                              conc (conc (a # xs) ys) zs *)
 +
  apply simp_all  (* No subgoals! *)
 +
  done 
 +
 
 +
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
 +
  by (induct xs) simp_all
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
 
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
 
proof (induct xs)
 
proof (induct xs)
   show "conc [] (conc ys zs) = conc (conc [] ys) zs" by simp
+
   show "conc [] (conc ys zs) = conc (conc [] ys) zs"  
 +
    by simp
 
next
 
next
 
   fix x xs
 
   fix x xs
 
   assume HI: "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"  
 
   assume HI: "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"  
   have "conc (x # xs) (conc ys zs) = x # (conc xs (conc ys zs))" by simp
+
   have "conc (x # xs) (conc ys zs) = x # (conc xs (conc ys zs))"  
   also have "... = x # (conc (conc xs ys) zs)" using HI by simp
+
    by simp
   also have "... = conc (conc (x # xs) ys) zs" by simp
+
   also have "= x # (conc (conc xs ys) zs)"  
 +
    using HI by simp
 +
   also have "= conc (conc (x # xs) ys) zs"  
 +
    by simp
 
   finally show "conc (x # xs) (conc ys zs) = conc (conc (x # xs) ys) zs"  
 
   finally show "conc (x # xs) (conc ys zs) = conc (conc (x # xs) ys) zs"  
 
     by simp
 
     by simp
 
qed
 
qed
  
text {*
+
(* La demostración declarativa detallada es *)
  Comentario sobre la demostración anterior
 
  · (induct xs) genera dos subobjetivos:
 
    1. conc [] (conc ys zs) = conc (conc [] ys) zs
 
    2. ⋀a xs. conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs ⟹
 
              conc (a#xs) (conc ys zs) = conc (conc (a#xs) ys) zs
 
*}
 
 
 
(* La demostración automática es *)
 
 
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
 
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
   by (induct xs) auto
+
proof (induct xs)
 +
  show "conc [] (conc ys zs) = conc (conc [] ys) zs"
 +
    by (simp only: conc.simps(1))
 +
next
 +
  fix x xs
 +
  assume HI: "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
 +
   have "conc (x # xs) (conc ys zs) = x # (conc xs (conc ys zs))"
 +
    by (simp only: conc.simps(2))
 +
  also have "… = x # (conc (conc xs ys) zs)"
 +
    using HI by (simp only:)
 +
  also have "… = conc (conc (x # xs) ys) zs"
 +
    by (simp only: conc.simps(2))
 +
  finally show "conc (x # xs) (conc ys zs) = conc (conc (x # xs) ys) zs"
 +
    by this
 +
qed
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 11. Refutar que  
 
   Ejemplo 11. Refutar que  
 
     conc xs ys = conc ys xs
 
     conc xs ys = conc ys xs
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
  
 
lemma "conc xs ys = conc ys xs"
 
lemma "conc xs ys = conc ys xs"
Línea 320: Línea 398:
 
   oops
 
   oops
  
text {* Encuentra el contraejemplo,  
+
text Encuentra el contraejemplo,  
 
   xs = [a2]
 
   xs = [a2]
   ys = [a1] *}
+
   ys = [a1]
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 12. (p. 28) Demostrar que  
 
   Ejemplo 12. (p. 28) Demostrar que  
 
     conc xs [] = xs
 
     conc xs [] = xs
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración aplicativa es *)
 +
lemma "conc xs [] = xs"
 +
  apply (induct xs) (* 1. conc [] [] = []
 +
                      2. ⋀a xs.
 +
                            conc xs [] = xs ⟹
 +
                            conc (a # xs) [] = a # xs *)
 +
  apply simp_all  (* No subgoals! *)
 +
  done 
 +
 
 +
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "conc xs [] = xs"
 +
  by (induct xs) simp_all
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 
lemma "conc xs [] = xs"
 
lemma "conc xs [] = xs"
 
proof (induct xs)
 
proof (induct xs)
Línea 336: Línea 427:
 
   fix x xs
 
   fix x xs
 
   assume HI: "conc xs [] = xs"  
 
   assume HI: "conc xs [] = xs"  
   have "conc (x # xs) [] = x # (conc xs [])" by simp
+
   have "conc (x # xs) [] = x # (conc xs [])"  
   also have "... = x # xs" using HI by simp
+
    by simp
   finally show "conc (x # xs) [] = x # xs" by simp
+
   also have "= x # xs"  
 +
    using HI by simp
 +
   finally show "conc (x # xs) [] = x # xs"  
 +
    by simp
 
qed
 
qed
  
(* La demostración automática es *)
+
(* declare [[show_types]] *)
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 +
lemma "conc xs [] = xs"
 +
proof (induct xs)
 +
  show "conc [] [] = []" by simp
 +
next
 +
  fix x :: "'a" and xs :: "'a list"
 +
  assume HI: "conc xs [] = xs"
 +
  have "conc (x # xs) [] = x # (conc xs [])"
 +
    by simp
 +
  also have "… = x # xs"
 +
    using HI by simp
 +
  finally show "conc (x # xs) [] = x # xs"
 +
    by simp
 +
qed
 +
 
 +
(* La demostración declarativa detallada es *)
 
lemma "conc xs [] = xs"
 
lemma "conc xs [] = xs"
   by (induct xs) simp_all
+
proof (induct xs)
 +
  show "conc [] [] = []"
 +
    by (simp only: conc.simps(1))
 +
next
 +
  fix x :: "'a" and xs :: "'a list"
 +
  assume HI: "conc xs [] = xs"
 +
  have "conc (x # xs) [] = x # (conc xs [])"
 +
    by (simp only: conc.simps(2))
 +
   also have "… = x # xs"
 +
    using HI by (simp only:)
 +
  finally show "conc (x # xs) [] = x # xs"
 +
    by this
 +
qed
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 13. (p. 30) Demostrar que  
 
   Ejemplo 13. (p. 30) Demostrar que  
 
     longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys
 
     longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
 +
 
 +
(* La demostración aplicativa es *)
 +
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
 +
  apply (induct xs) (* 1. longitud (conc [] ys) =
 +
                          longitud [] + longitud ys
 +
                      2. ⋀a xs.
 +
                            longitud (conc xs ys) =
 +
                            longitud xs + longitud ys ⟹
 +
                            longitud (conc (a # xs) ys) =
 +
                            longitud (a # xs) + longitud ys *)
 +
  apply simp_all  (* No subgoals! *)
 +
  done 
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
 +
  by (induct xs) simp_all
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
 
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
 
proof (induct xs)
 
proof (induct xs)
Línea 359: Línea 498:
 
   have "longitud (conc (x # xs) ys) = longitud (x # (conc xs ys))"  
 
   have "longitud (conc (x # xs) ys) = longitud (x # (conc xs ys))"  
 
     by simp
 
     by simp
   also have "... = 1 + longitud (conc xs ys)" by simp
+
   also have "= 1 + longitud (conc xs ys)"  
   also have "... = 1 + longitud xs + longitud ys" using HI by simp
+
    by simp
   also have "... = longitud (x # xs) + longitud ys" by simp
+
   also have "= 1 + longitud xs + longitud ys"  
 +
    using HI by simp
 +
   also have "= longitud (x # xs) + longitud ys"  
 +
    by simp
 
   finally show "longitud (conc (x # xs) ys) =  
 
   finally show "longitud (conc (x # xs) ys) =  
                 longitud (x # xs) + longitud ys" by simp
+
                 longitud (x # xs) + longitud ys"  
 +
    by simp
 
qed
 
qed
  
(* La demostración automática es *)
+
(* La demostración declarativa detallada es *)
 
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
 
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
   by (induct xs) auto
+
proof (induct xs)
 +
  show "longitud (conc [] ys) = longitud [] + longitud ys"
 +
    by (simp only: conc.simps(1)
 +
                  longitud.simps(1))
 +
next
 +
  fix x xs
 +
  assume HI: "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
 +
  have "longitud (conc (x # xs) ys) = longitud (x # (conc xs ys))"
 +
    by (simp only: conc.simps(2))
 +
   also have "… = 1 + longitud (conc xs ys)"
 +
    by (simp only: longitud.simps(2))
 +
  also have "… = 1 + longitud xs + longitud ys"
 +
    using HI by (simp only:)
 +
  also have "… = longitud (x # xs) + longitud ys"
 +
    by (simp only: longitud.simps(2))
 +
  finally show "longitud (conc (x # xs) ys) =
 +
                longitud (x # xs) + longitud ys"
 +
    by this
 +
qed
  
section {* Inducción correspondiente a la definición recursiva *}
+
section ‹Inducción correspondiente a la definición recursiva
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 14. Definir la función
 
   Ejemplo 14. Definir la función
 
     coge :: nat ⇒ 'a list ⇒ 'a list
 
     coge :: nat ⇒ 'a list ⇒ 'a list
Línea 378: Línea 539:
 
   ejemplo,  
 
   ejemplo,  
 
     coge 2 [a,c,d,b,e] = [a,c]
 
     coge 2 [a,c,d,b,e] = [a,c]
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun coge :: "nat ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
 
fun coge :: "nat ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
Línea 387: Línea 548:
 
value "coge 2 [a,c,d,b,e] = [a,c]"
 
value "coge 2 [a,c,d,b,e] = [a,c]"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 15. Definir la función
 
   Ejemplo 15. Definir la función
 
     elimina :: nat ⇒ 'a list ⇒ 'a list
 
     elimina :: nat ⇒ 'a list ⇒ 'a list
Línea 393: Línea 554:
 
   elementos de xs. Por ejemplo,  
 
   elementos de xs. Por ejemplo,  
 
     elimina 2 [a,c,d,b,e] = [d,b,e]
 
     elimina 2 [a,c,d,b,e] = [d,b,e]
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun elimina :: "nat ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
 
fun elimina :: "nat ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
Línea 402: Línea 563:
 
value "elimina 2 [a,c,d,b,e] = [d,b,e]"
 
value "elimina 2 [a,c,d,b,e] = [d,b,e]"
  
text {*
+
text
 
   La definición coge genera el esquema de inducción coge.induct:
 
   La definición coge genera el esquema de inducción coge.induct:
 
     ⟦⋀n. P n [];  
 
     ⟦⋀n. P n [];  
Línea 409: Línea 570:
 
     ⟹ P n x
 
     ⟹ P n x
  
   Puede verse usando "thm coge.induct". *}
+
   Puede verse usando "thm coge.induct".
 +
 
 +
thm coge.induct
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 16. (p. 35) Demostrar que  
 
   Ejemplo 16. (p. 35) Demostrar que  
 
     conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs
 
     conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración aplicativa es *)
 +
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
 +
  apply (induct rule: coge.induct)
 +
      (*  1. ⋀n. conc (coge n []) (elimina n []) = []
 +
          2. ⋀v va. conc (coge 0 (v # va)) (elimina 0 (v # va)) =
 +
                    v # va
 +
          3. ⋀n x xs. conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs ⟹
 +
                      conc (coge (Suc n) (x # xs))
 +
                            (elimina (Suc n) (x # xs)) =
 +
                      x # xs *)
 +
    apply simp_all
 +
      (* No subgoals! *)
 +
  done
 +
 
 +
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
 +
  by (induct rule: coge.induct) simp_all
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
 
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
 
proof (induct rule: coge.induct)
 
proof (induct rule: coge.induct)
 
   fix n
 
   fix n
   show "conc (coge n []) (elimina n []) = []" by simp
+
   show "conc (coge n []) (elimina n []) = []"  
 +
    by simp
 
next
 
next
   fix x xs
+
   fix x :: "'a" and xs :: "'a list"
   show "conc (coge 0 (x#xs)) (elimina 0 (x#xs)) = x#xs" by simp
+
   show "conc (coge 0 (x#xs)) (elimina 0 (x#xs)) = x#xs"  
 +
    by simp
 
next
 
next
   fix n x xs
+
   fix n and x :: "'a" and xs :: "'a list"
 
   assume HI: "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
 
   assume HI: "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
 
   have "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) =  
 
   have "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) =  
         conc (x#(coge n xs)) (elimina n xs)" by simp
+
         conc (x#(coge n xs)) (elimina n xs)"  
   also have "... = x#(conc (coge n xs) (elimina n xs))" by simp
+
    by simp
   also have "... = x#xs" using HI by simp   
+
   also have "= x#(conc (coge n xs) (elimina n xs))"  
 +
    by simp
 +
   also have "= x#xs"  
 +
    using HI by simp   
 
   finally show "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) =  
 
   finally show "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) =  
 
                 x#xs"
 
                 x#xs"
Línea 436: Línea 622:
 
qed
 
qed
  
text {*
+
text ‹Comentario sobre la demostración anterior:
  Comentario sobre la demostración anterior:
 
 
   · (induct rule: coge.induct) indica que el método de demostración es
 
   · (induct rule: coge.induct) indica que el método de demostración es
 
     por el esquema de inducción correspondiente a la definición de la
 
     por el esquema de inducción correspondiente a la definición de la
Línea 447: Línea 632:
 
             conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs ⟹
 
             conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs ⟹
 
             conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) = x#xs
 
             conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) = x#xs
*}
+
  
(* La demostración automática es *)
+
(* La demostración declarativa detallada es *)
 
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
 
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
  by (induct rule: coge.induct) auto
+
proof (induct rule: coge.induct)
 +
  fix n
 +
  show "conc (coge n []) (elimina n []) = []"
 +
    by (simp only: coge.simps(1)
 +
                  elimina.simps(1)
 +
                  conc.simps(1))
 +
next
 +
  fix x :: "'a" and xs :: "'a list"
 +
  show "conc (coge 0 (x#xs)) (elimina 0 (x#xs)) = x#xs"
 +
    by (simp only: coge.simps(2)
 +
                  elimina.simps(2)
 +
                  conc.simps(1))
 +
next
 +
  fix n and x :: "'a" and xs :: "'a list"
 +
  assume HI: "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
 +
  have "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) =
 +
        conc (x#(coge n xs)) (elimina n xs)"
 +
    by (simp only: coge.simps(3)
 +
                  elimina.simps(3))
 +
  also have "… = x#(conc (coge n xs) (elimina n xs))"
 +
    by (simp only: conc.simps(2))
 +
  also have "… = x#xs"
 +
    using HI by (simp only:)
 +
  finally show "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) =
 +
                x#xs"
 +
    by this
 +
qed
  
section {* Razonamiento por casos *}
+
section ‹Razonamiento por casos
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 17. Definir la función
 
   Ejemplo 17. Definir la función
 
     esVacia :: 'a list ⇒ bool
 
     esVacia :: 'a list ⇒ bool
Línea 461: Línea 672:
 
     esVacia []  = True
 
     esVacia []  = True
 
     esVacia [1] = False
 
     esVacia [1] = False
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun esVacia :: "'a list ⇒ bool" where
 
fun esVacia :: "'a list ⇒ bool" where
Línea 470: Línea 681:
 
value "esVacia [a] = False"
 
value "esVacia [a] = False"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 18 (p. 39) . Demostrar que  
 
   Ejemplo 18 (p. 39) . Demostrar que  
 
     esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
 
     esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración aplicativa es *)
 +
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 +
  apply (cases xs)
 +
    (* 1. xs = [] ⟹ esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
 +
        2. ⋀a list. xs = a # list ⟹
 +
                    esVacia xs = esVacia (conc xs xs) *)
 +
  apply simp_all
 +
    (* No subgoals! *)
 +
  done
 +
 
 +
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 +
  by (cases xs) simp_all
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 
proof (cases xs)
 
proof (cases xs)
 
   assume "xs = []"
 
   assume "xs = []"
   then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" by simp
+
   then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"  
 +
    by simp
 
next
 
next
 
   fix y ys
 
   fix y ys
 
   assume "xs = y#ys"
 
   assume "xs = y#ys"
   then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" by simp
+
   then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"  
 +
    by simp
 
qed
 
qed
  
text {*
+
text ‹Comentarios sobre la demostración anterior:
  Comentarios sobre la demostración anterior:
 
 
   · "(cases xs)" es el método de demostración por casos según xs.
 
   · "(cases xs)" es el método de demostración por casos según xs.
 
   · Se generan dos subobjetivos  correspondientes a los dos
 
   · Se generan dos subobjetivos  correspondientes a los dos
Línea 494: Línea 720:
 
     · 2. ⋀y ys. xs = y#ys ⟹ esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
 
     · 2. ⋀y ys. xs = y#ys ⟹ esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
 
   · "then" indica "usando la propiedad anterior"
 
   · "then" indica "usando la propiedad anterior"
*}
+
  
(* La demostración estructurada simplificada es *)
+
(* La demostración declarativa detallada es *)
 +
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 +
proof (cases xs)
 +
  assume "xs = []"
 +
  then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 +
    by (simp only: conc.simps(1))
 +
next
 +
  fix y ys
 +
  assume "xs = y#ys"
 +
  then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 +
    by (simp only: esVacia.simps(2)
 +
                  conc.simps(2))
 +
qed
 +
 
 +
(* La demostración declarativa simplificada es *)
 
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 
proof (cases xs)
 
proof (cases xs)
 
   case Nil
 
   case Nil
   then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" by simp
+
   then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"  
 +
    by simp
 
next
 
next
 
   case Cons
 
   case Cons
   then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" by simp
+
   then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"  
 +
    by simp
 
qed
 
qed
  
text {*
+
text
 
   Comentarios sobre la demostración anterior:
 
   Comentarios sobre la demostración anterior:
 
   · "case Nil" es una abreviatura de "assume xs = []"
 
   · "case Nil" es una abreviatura de "assume xs = []"
   · "case Cons" es una abreviatura de "fix y ys assume xs = y#ys"
+
   · "case Cons" es una abreviatura de "fix y ys assume xs = y#ys"
  · "thus" es una abreviatura de "then show".
 
*}
 
  
 
(* La demostración con el patrón sugerido es *)
 
(* La demostración con el patrón sugerido es *)
Línea 523: Línea 763:
 
qed
 
qed
  
(* La demostración automática es *)
+
section ‹Heurística de generalización
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
 
  by (cases xs) auto
 
 
 
section {* Heurística de generalización *}
 
 
 
text {*
 
  Heurística de generalización: Cuando se use demostración estructural,
 
  cuantificar universalmente las variables libres (o, equivalentemente,
 
  considerar las variables libres como variables arbitrarias). *}
 
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 19. Definir la función
 
   Ejemplo 19. Definir la función
 
     inversaAc :: 'a list ⇒ 'a list
 
     inversaAc :: 'a list ⇒ 'a list
Línea 540: Línea 771:
 
   acumuladores. Por ejemplo,  
 
   acumuladores. Por ejemplo,  
 
     inversaAc [a,c,b,e] = [e,b,c,a]
 
     inversaAc [a,c,b,e] = [e,b,c,a]
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun inversaAcAux :: "'a list ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
 
fun inversaAcAux :: "'a list ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
Línea 546: Línea 777:
 
| "inversaAcAux (x#xs) ys = inversaAcAux xs (x#ys)"
 
| "inversaAcAux (x#xs) ys = inversaAcAux xs (x#ys)"
  
fun inversaAc :: "'a list ⇒ 'a list" where
+
definition inversaAc :: "'a list ⇒ 'a list" where
 
   "inversaAc xs = inversaAcAux xs []"
 
   "inversaAc xs = inversaAcAux xs []"
  
 
value "inversaAc [a,c,b,e] = [e,b,c,a]"
 
value "inversaAc [a,c,b,e] = [e,b,c,a]"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ‹Lema. [Ejemplo de equivalencia entre las definiciones]
 +
  La inversa de [a,b,c] es lo mismo calculada con la primera definición
 +
  que con la segunda.›
 +
 
 +
lemma "inversaAc [a,b,c] = inversa [a,b,c]"
 +
  by (simp add: inversaAc_def)
 +
 
 +
text ‹Nota. [Ejemplo fallido de demostración por inducción]
 +
  El siguiente intento de demostrar que para cualquier lista xs, se
 +
  tiene que  "inversaAc xs = inversa xs" falla.›
 +
 
 +
lemma "inversaAc xs = inversa xs"
 +
proof (induct xs)
 +
  show "inversaAc [] = inversa []"
 +
    by (simp add: inversaAc_def)
 +
next
 +
  fix a :: "'b" and xs :: "'b list"
 +
  assume HI: "inversaAc xs = inversa xs"
 +
  have "inversaAc (a#xs) = inversaAcAux (a#xs) []"
 +
    by (simp add: inversaAc_def)
 +
  also have "… = inversaAcAux xs [a]"
 +
    by simp
 +
  also have "… = inversa (a#xs)"
 +
  (* Problema: la hipótesis de inducción no es aplicable. *)
 +
oops
 +
 
 +
text ‹Nota. [Heurística de generalización]
 +
  Cuando se use demostración estructural, cuantificar universalmente las
 +
  variables libres (o, equivalentemente, considerar las variables libres
 +
  como variables arbitrarias).
 +
 
 +
  Lema. [Lema con generalización]
 +
  Para toda lista ys se tiene
 +
    inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys
 +
 +
 
 +
text ‹---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 20. (p. 44) Demostrar que  
 
   Ejemplo 20. (p. 44) Demostrar que  
 
     inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys
 
     inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
 +
 
 +
(* La demostración aplicativa es *)
 +
lemma "inversaAcAux xs ys = (inversa xs)@ys"
 +
  apply (induct xs arbitrary: ys)
 +
    (* 1. ⋀ys. inversaAcAux [] ys = inversa [] @ ys
 +
        2. ⋀a xs ys.
 +
              (⋀ys. inversaAcAux xs ys = inversa xs @ ys) ⟹
 +
              inversaAcAux (a # xs) ys = inversa (a # xs) @ ys *)
 +
  apply simp_all
 +
    (* No subgoals! *)
 +
  done
 +
 
 +
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "inversaAcAux xs ys = (inversa xs)@ys"
 +
  by (induct xs arbitrary: ys) simp_all
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración declarativa es *)
lemma inversaAcAux_es_inversa:
+
lemma
 
   "inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys"
 
   "inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys"
 
proof (induct xs arbitrary: ys)
 
proof (induct xs arbitrary: ys)
   show "⋀ys. inversaAcAux [] ys = inversa [] @ ys" by simp
+
   show "⋀ys. inversaAcAux [] ys = (inversa [])@ys"  
 +
    by simp
 
next
 
next
   fix a xs  
+
   fix a :: "'b" and xs :: "'b list"
 
   assume HI: "⋀ys. inversaAcAux xs ys = inversa xs@ys"
 
   assume HI: "⋀ys. inversaAcAux xs ys = inversa xs@ys"
 
   show "⋀ys. inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys"
 
   show "⋀ys. inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys"
 
   proof -
 
   proof -
 
     fix ys
 
     fix ys
     have "inversaAcAux (a#xs) ys = inversaAcAux xs (a#ys)" by simp
+
     have "inversaAcAux (a#xs) ys = inversaAcAux xs (a#ys)"  
     also have "… = inversa xs@(a#ys)" using HI by simp
+
      by simp
     also have "… = inversa (a#xs)@ys" by simp  
+
     also have "… = inversa xs@(a#ys)"  
     finally show "inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys" by simp
+
      using HI by simp
 +
     also have "… = inversa (a#xs)@ys" using [[simp_trace]]
 +
      by simp  
 +
     finally show "inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys"  
 +
      by simp
 
   qed
 
   qed
 
qed
 
qed
  
text {*
+
text ‹Comentarios sobre la demostración anterior:
  Comentarios sobre la demostración anterior:
 
 
   · "(induct xs arbitrary: ys)" es el método de demostración por
 
   · "(induct xs arbitrary: ys)" es el método de demostración por
 
     inducción sobre xs usando ys como variable arbitraria.
 
     inducción sobre xs usando ys como variable arbitraria.
Línea 584: Línea 870:
 
   · Dentro de una demostración se pueden incluir otras demostraciones.
 
   · Dentro de una demostración se pueden incluir otras demostraciones.
 
   · Para demostrar la propiedad universal "⋀ys. P(ys)" se elige una
 
   · Para demostrar la propiedad universal "⋀ys. P(ys)" se elige una
     lista arbitraria (con "fix ys") y se demuestra "P(ys)".  
+
     lista arbitraria (con "fix ys") y se demuestra "P(ys)".
*}
 
  
(* La demostración automática es *)
+
text ‹Nota. En el paso "inversa xs@(a#ys) = inversa (a#xs)@ys" se usan
lemma "inversaAcAux xs ys = (inversa xs)@ys"
+
  lemas de la teoría List. Se puede observar, insertano
   by (induct xs arbitrary: ys) auto
+
    using [[simp_trace]]
 +
  entre la igualdad y by simp, que los lemas usados son
 +
  · List.append_simps_1: []@ys = ys
 +
  · List.append_simps_2: (x#xs)@ys = x#(xs@ys)
 +
  · List.append_assoc:  (xs @ ys) @ zs = xs @ (ys @ zs)
 +
  Las dos primeras son las ecuaciones de la definición de append.
 +
 
 +
  En la siguiente demostración se detallan los lemas utilizados.
 +
 +
 
 +
― ‹Demostración aplicativa›
 +
lemma "(inversa xs)@(a#ys) = (inversa (a#xs))@ys"
 +
  apply (simp only: inversa.simps(2))
 +
    (* inversa xs @ (a # ys) = (inversa xs @ [a]) @ ys*)
 +
  apply (simp only: append_assoc)
 +
    (* inversa xs @ (a # ys) = inversa xs @ ([a] @ ys) *)
 +
  apply (simp only: append.simps(2))
 +
    (* inversa xs @ (a # ys) = inversa xs @ (a # ([] @ ys)) *)
 +
  apply (simp only: append.simps(1))
 +
    (* *)
 +
  done
 +
 
 +
― ‹Demostración declarativa detallada del lema auxiliar›
 +
lemma auxiliar: "(inversa xs)@(a#ys) = (inversa (a#xs))@ys"
 +
proof -
 +
  have "(inversa xs)@(a#ys) = (inversa xs)@(a#([]@ys))"
 +
    by (simp only: append.simps(1))
 +
  also have "… = (inversa xs)@([a]@ys)"
 +
    by (simp only: append.simps(2))
 +
  also have "… = ((inversa xs)@[a])@ys"
 +
    by (simp only: append_assoc)
 +
  also have "… = (inversa (a#xs))@ys"
 +
    by (simp only: inversa.simps(2))
 +
  finally show ?thesis
 +
    by this
 +
qed
 +
 
 +
(* La demostración declarativa detallada es *)
 +
lemma inversaAcAux_es_inversa:
 +
  "inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys"
 +
proof (induct xs arbitrary: ys)
 +
  fix ys :: "'b list"
 +
  show "inversaAcAux [] ys = (inversa [])@ys"
 +
    by (simp only: inversaAcAux.simps(1)
 +
                  inversa.simps(1)
 +
                  append.simps(1))
 +
next
 +
  fix a :: "'b" and xs :: "'b list"
 +
  assume HI: "⋀ys. inversaAcAux xs ys = inversa xs@ys"
 +
  show "⋀ys. inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys"
 +
   proof -
 +
    fix ys
 +
    have "inversaAcAux (a#xs) ys = inversaAcAux xs (a#ys)"
 +
      by (simp only: inversaAcAux.simps(2))
 +
    also have "… = inversa xs@(a#ys)"
 +
      using HI by (simp only:)
 +
    also have "… = inversa (a#xs)@ys"
 +
      by (rule auxiliar)
 +
    finally show "inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys"
 +
      by this
 +
  qed
 +
qed
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 21. (p. 43) Demostrar que  
 
   Ejemplo 21. (p. 43) Demostrar que  
 
     inversaAc xs = inversa xs
 
     inversaAc xs = inversa xs
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
 +
 
 +
(* La demostración aplicativa es *)
 +
corollary "inversaAc xs = inversa xs"
 +
  apply (simp add: inversaAcAux_es_inversa inversaAc_def)
 +
  done
  
 
(* La demostración automática es *)
 
(* La demostración automática es *)
 
corollary "inversaAc xs = inversa xs"
 
corollary "inversaAc xs = inversa xs"
   by (simp add: inversaAcAux_es_inversa)
+
   by (simp add: inversaAcAux_es_inversa inversaAc_def)
 
 
text {*
 
  Comentario de la demostración anterior:
 
  · "(simp add: inversaAcAux_es_inversa)" es el método de demostración
 
    por simplificación usando como regla de simplificación la propiedad
 
    inversaAcAux_es_inversa.
 
*}
 
  
section {* Demostración por inducción para funciones de orden superior *}
+
text ‹Comentario de la demostración anterior:
 +
  · "(simp add: inversaAcAux_es_inversa inversaAc_def)" es el método de
 +
    demostración por simplificación usando como regla de simplificación
 +
    las propiedades inversaAcAux_es_inversa e inversaAc_def. ›
 +
 +
section ‹Demostración por inducción para funciones de orden superior
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 22. Definir la función
 
   Ejemplo 22. Definir la función
 
     sum :: nat list ⇒ nat
 
     sum :: nat list ⇒ nat
 
   tal que (sum xs) es la suma de los elementos de xs. Por ejemplo,
 
   tal que (sum xs) es la suma de los elementos de xs. Por ejemplo,
 
     sum [3,2,5] = 10
 
     sum [3,2,5] = 10
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun sum :: "nat list ⇒ nat" where
 
fun sum :: "nat list ⇒ nat" where
Línea 622: Línea 971:
 
value "sum [3,2,5] = 10"
 
value "sum [3,2,5] = 10"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 23. Definir la función
 
   Ejemplo 23. Definir la función
 
     map :: ('a ⇒ 'b) ⇒ 'a list ⇒ 'b list
 
     map :: ('a ⇒ 'b) ⇒ 'a list ⇒ 'b list
 
   tal que (map f xs) es la lista obtenida aplicando la función f a los
 
   tal que (map f xs) es la lista obtenida aplicando la función f a los
 
   elementos de xs. Por ejemplo,
 
   elementos de xs. Por ejemplo,
     map (λx. 2*x) [3,2,5] = [6,4,10]
+
     map (λx. 2*x) [3::nat,2,5] = [6,4,10]
   ------------------------------------------------------------------ *}
+
    map ((*) 2) [3::nat,2,5] = [6,4,10]
 +
    map ((+) 2)  [3::nat,2,5] = [5,4,7]
 +
   ------------------------------------------------------------------
  
 
fun map :: "('a ⇒ 'b) ⇒ 'a list ⇒ 'b list" where
 
fun map :: "('a ⇒ 'b) ⇒ 'a list ⇒ 'b list" where
Línea 635: Línea 986:
  
 
value "map (λx. 2*x) [3::nat,2,5] = [6,4,10]"
 
value "map (λx. 2*x) [3::nat,2,5] = [6,4,10]"
 +
value "map ((*) 2)  [3::nat,2,5] = [6,4,10]"
 +
value "map ((+) 2)  [3::nat,2,5] = [5,4,7]"
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 24. (p. 45) Demostrar que  
 
   Ejemplo 24. (p. 45) Demostrar que  
     sum (map (λx. 2*x) xs) = 2 * (sum xs)
+
     sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
 +
 
 +
(* La demostración aplicativa es *)
 +
lemma "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
 +
  apply (induct xs)
 +
    (* 1. sum (map (( * ) 2) []) = 2 * sum []
 +
        2. ⋀a xs. sum (map (( * ) 2) xs) = 2 * sum xs ⟹
 +
                  sum (map (( * ) 2) (a # xs)) = 2 * sum (a # xs) *)
 +
  apply simp_all
 +
    (* No subgoals! *)
 +
  done
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración automática es *)
lemma "sum (map (λx. 2*x) xs) = 2 * (sum xs)"
+
lemma "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
 +
  by (induct xs) simp_all
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 +
lemma "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
 
proof (induct xs)
 
proof (induct xs)
   show "sum (map (λx. 2*x) []) = 2 * (sum [])" by simp
+
   show "sum (map ((*) 2) []) = 2 * (sum [])" by simp
 
next
 
next
 
   fix a xs
 
   fix a xs
   assume HI: "sum (map (λx. 2*x) xs) = 2 * (sum xs)"
+
   assume HI: "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
   have "sum (map (λx. 2*x) (a#xs)) = sum ((2*a)#(map (λx. 2*x) xs))"  
+
   have "sum (map ((*) 2) (a#xs)) = sum ((2*a)#(map ((*) 2) xs))"
 +
    by simp
 +
  also have "… = 2*a + sum (map ((*) 2) xs)"
 +
    by simp
 +
  also have "… = 2*a + 2*(sum xs)"
 +
    using HI by simp
 +
  also have "… = 2*(a + sum xs)"
 +
    by simp
 +
  also have "… = 2*(sum (a#xs))"
 +
    by simp
 +
  finally show "sum (map ((*) 2) (a#xs)) = 2*(sum (a#xs))"  
 
     by simp
 
     by simp
  also have "... = 2*a + sum (map (λx. 2*x) xs)" by simp
 
  also have "... = 2*a + 2*(sum xs)" using HI by simp
 
  also have "... = 2*(a + sum xs)" by simp
 
  also have "... = 2*(sum (a#xs))" by simp
 
  finally show "sum (map (λx. 2*x) (a#xs)) = 2*(sum (a#xs))" by simp
 
 
qed
 
qed
  
(* La demostración automática es *)
+
(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "sum (map (λx. 2*x) xs) = 2 * (sum xs)"
+
lemma "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
   by (induct xs) auto
+
proof (induct xs)
 +
  show "sum (map ((*) 2) []) = 2 * (sum [])"
 +
    by (simp only: map.simps(1)
 +
                  sum.simps(1))
 +
next
 +
  fix a xs
 +
  assume HI: "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
 +
  have "sum (map ((*) 2) (a#xs)) = sum ((2*a)#(map ((*) 2) xs))"
 +
    by (simp only: map.simps(2))
 +
  also have "… = 2*a + sum (map ((*) 2) xs)"
 +
    by (simp only: sum.simps(2))
 +
  also have "… = 2*a + 2*(sum xs)"  
 +
    using HI by (simp only:)
 +
  also have "… = 2*(a + sum xs)"
 +
    find_theorems "_ * (_ + _)"
 +
    by (simp only: add_mult_distrib2)
 +
   also have "… = 2*(sum (a#xs))"
 +
    by (simp only: sum.simps(2))
 +
  finally show "sum (map ((*) 2) (a#xs)) = 2*(sum (a#xs))"
 +
    by this
 +
qed
  
text {* ---------------------------------------------------------------  
+
text ---------------------------------------------------------------  
 
   Ejemplo 25. (p. 48) Demostrar que  
 
   Ejemplo 25. (p. 48) Demostrar que  
 
     longitud (map f xs) = longitud xs
 
     longitud (map f xs) = longitud xs
   ------------------------------------------------------------------- *}
+
   -------------------------------------------------------------------
  
(* La demostración estructurada es *)
+
(* La demostración aplicativa es *)
 +
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
 +
  apply (induct xs)
 +
    (* 1. longitud (map f []) = longitud []
 +
        2. ⋀a xs. longitud (map f xs) = longitud xs ⟹
 +
                  longitud (map f (a # xs)) = longitud (a # xs) *)
 +
  apply simp_all
 +
    (* No subgoals! *)
 +
  done
 +
 
 +
(* La demostración automática es *)
 +
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
 +
  by (induct xs) simp_all
 +
 
 +
(* La demostración declarativa es *)
 
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
 
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
 
proof (induct xs)
 
proof (induct xs)
   show "longitud (map f []) = longitud []" by simp
+
   show "longitud (map f []) = longitud []"  
 +
    by simp
 
next
 
next
 
   fix a xs
 
   fix a xs
 
   assume HI: "longitud (map f xs) = longitud xs"
 
   assume HI: "longitud (map f xs) = longitud xs"
   have "longitud (map f (a#xs)) = longitud (f a # (map f xs))" by simp
+
   have "longitud (map f (a#xs)) = longitud (f a # (map f xs))"  
   also have "... = 1 + longitud (map f xs)" by simp
+
    by simp
   also have "... = 1 + longitud xs" using HI by simp
+
   also have "= 1 + longitud (map f xs)"  
   also have "... = longitud (a#xs)" by simp
+
    by simp
   finally show "longitud (map f (a#xs)) = longitud (a#xs)" by simp
+
   also have "= 1 + longitud xs"  
 +
    using HI by simp
 +
   also have "= longitud (a#xs)"  
 +
    by simp
 +
   finally show "longitud (map f (a#xs)) = longitud (a#xs)"  
 +
    by simp
 
qed
 
qed
  
(* La demostración automática es *)
+
(* La demostración declarativa detallada es *)
 
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
 
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
   by (induct xs) auto
+
proof (induct xs)
 +
  show "longitud (map f []) = longitud []"
 +
    by (simp only: map.simps(1)
 +
                  longitud.simps(1))
 +
next
 +
  fix a xs
 +
  assume HI: "longitud (map f xs) = longitud xs"
 +
  have "longitud (map f (a#xs)) = longitud (f a # (map f xs))"
 +
    by (simp only: map.simps(2))
 +
   also have "… = 1 + longitud (map f xs)"
 +
    by (simp only: longitud.simps(2))
 +
  also have "… = 1 + longitud xs"
 +
    using HI by (simp only:)
 +
  also have "… = longitud (a#xs)"
 +
    by (simp only: longitud.simps(2))
 +
  finally show "longitud (map f (a#xs)) = longitud (a#xs)"
 +
    by this
 +
qed
  
section {* Referencias *}
+
section ‹Referencias›
  
text {*
+
text
 
   · J.A. Alonso. "Razonamiento sobre programas" http://goo.gl/R06O3
 
   · J.A. Alonso. "Razonamiento sobre programas" http://goo.gl/R06O3
 
   · G. Hutton. "Programming in Haskell". Cap. 13 "Reasoning about
 
   · G. Hutton. "Programming in Haskell". Cap. 13 "Reasoning about
Línea 694: Línea 1123:
 
   · L. Paulson. "ML for the Working Programmer, 2nd Edition". Cap. 6.  
 
   · L. Paulson. "ML for the Working Programmer, 2nd Edition". Cap. 6.  
 
     "Reasoning about functional programs".  
 
     "Reasoning about functional programs".  
*}
+
  
 
end
 
end
 
</source>
 
</source>

Revisión actual del 07:20 16 abr 2020

chapter Tema 6: Razonamiento sobre programas

theory T6_Razonamiento_sobre_programas
imports Main 
begin

text En este tema se demuestra con Isabelle las propiedades de los
  programas funcionales de tema 6 http://bit.ly/2Za6YWY

  Para cada propiedades se presentan distintos tipos de demostraciones:
  automáticas, aplicativas y declarativas. 

section Razonamiento ecuacional

text -----------------------------------------------------------------
  Ejemplo 1. Definir, por recursión, la función
     longitud :: 'a list  nat
  tal que (longitud xs) es la longitud de la listas xs. Por ejemplo,
     longitud [a,c,d] = 3
  --------------------------------------------------------------------

fun longitud :: "'a list ⇒ nat" where
  "longitud []     = 0"
| "longitud (x#xs) = 1 + longitud xs"
   
value "longitud [a,c,d] = 3"

text  --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 2. Demostrar que 
     longitud [a,c,d] = 3
  ------------------------------------------------------------------- 

lemma "longitud [a,c,d] = 3"
  apply simp
  done

lemma "longitud [a,c,d] = 3"
  by simp

text  --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 3. Definir la función
     fun intercambia :: 'a × 'b  'b × 'a
  tal que (intercambia p) es el par obtenido intercambiando las
  componentes del par p. Por ejemplo,
     intercambia (u,v) = (v,u)
  ------------------------------------------------------------------ 

fun intercambia :: "'a × 'b ⇒ 'b × 'a" where
  "intercambia (x,y) = (y,x)"

value "intercambia (u,v) = (v,u)"

text La definición de la función intercambia genera una regla de
  simplificación
  · intercambia.simps: intercambia (x,y) = (y,x)
  
  Se puede ver con 
  · thm intercambia.simps 


thm intercambia.simps
(* da intercambia (?x, ?y) = (?y, ?x) *)

text  --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 4. (p.6) Demostrar que 
     intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)
  ------------------------------------------------------------------- 

(* Demostración automática *)
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
  by auto

(* Demostración automática 1 *)
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
  by simp 

(* Demostración automática 2 *)
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
  by (simp only: intercambia.simps)

(* Demostración aplicativa *)
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
  apply (simp only: intercambia.simps)
  done

(* Demostración declarativa 1 *)
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
proof -
  have "intercambia (intercambia (x,y)) = intercambia (y,x)"  
    by simp
  also have "… = (x,y)" 
    by simp 
  finally show "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)" 
    by simp
qed

(* Demostración detallada *)
lemma "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)"
proof -
  have "intercambia (intercambia (x,y)) = intercambia (y,x)"  
    by (simp only: intercambia.simps)
  also have "… = (x,y)" 
    by (simp only: intercambia.simps)
  finally show "intercambia (intercambia (x,y)) = (x,y)" 
    by simp
qed

text Notas sobre el lenguaje: En la demostración anterior se ha usado
  · "proof" para iniciar la prueba,
  · "-" (después de "proof") para no usar el método por defecto,
  · "have" para establecer un paso,
  · "by (simp only: intercambia.simps)" para indicar que sólo se usa
    como regla de escritura la correspondiente a la definición de
    intercambia,
  · "also" para encadenar pasos ecuacionales,
  · "…" para representar la derecha de la igualdad anterior en un
    razonamiento ecuacional,
  · "finally" para indicar el último pasa de un razonamiento ecuacional,
  · "show" para establecer la conclusión.
  · "by simp" para indicar el método de demostración por simplificación y 
  · "qed" para terminar la pruebas.

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 5. Definir, por recursión, la función
     inversa :: 'a list  'a list
  tal que (inversa xs) es la lista obtenida invirtiendo el orden de los
  elementos de xs. Por ejemplo,
     inversa [a,d,c] = [c,d,a]
  ------------------------------------------------------------------ 

fun inversa :: "'a list ⇒ 'a list" where
  "inversa []     = []"
| "inversa (x#xs) = inversa xs @ [x]"

value "inversa [a,d,c] = [c,d,a]"

text  --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 6. (p. 9) Demostrar que 
     inversa [x] = [x]
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración automática es *)
lemma "inversa [x] = [x]"
  by simp

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "inversa [x] = [x]"
  apply simp
  done

text En la demostración anterior se usaron las siguientes reglas:
  · inversa.simps(1): inversa [] = []
  · inversa.simps(2): inversa (x#xs) = inversa xs @ [x]
  · append_Nil:       [] @ ys = ys
  Vamos a explicitar su aplicación.


find_theorems
find_theorems "_ @ _ = _"
find_theorems "[] @ _ = _"

(* La demostración aplicativa detallada es *)
lemma "inversa [x] = [x]"
  apply (simp only: inversa.simps(2)) (* inversa [] @ [x] = [x] *)
  apply (simp only: inversa.simps(1)) (* [] @ [x] = [x] *)
  apply (simp only: append_Nil)       (* No subgoals! *)
  done

(* La demostración declarativa simplificada es *)
lemma "inversa [x] = [x]"
proof -
  have "inversa [x] = inversa (x#[])" by simp
  also have "… = (inversa []) @ [x]" by simp
  also have "… = [] @ [x]" by simp
  also have "… = [x]" by simp 
  finally show "inversa [x] = [x]" by simp
qed

(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "inversa [x] = [x]"
proof -
  have "inversa [x] = inversa (x#[])"  
    by simp
  also have "… = (inversa []) @ [x]" 
    by (simp only: inversa.simps(2))
  also have "… = [] @ [x]" 
    by (simp only: inversa.simps(1))
  also have "… = [x]" 
    by (simp only: append_Nil) 
  finally show "inversa [x] = [x]" by simp
qed

section Razonamiento por inducción sobre los naturales 

text [Principio de inducción sobre los naturales] Para demostrar una
  propiedad P para todos los números naturales basta probar que el 0
  tiene la propiedad P y que si n tiene la propiedad P, entonces n+1
  también la tiene.  
     P 0; n. P n  P (Suc n)  P m

  En Isabelle el principio de inducción sobre los naturales está
  formalizado en el teorema nat.induct y puede verse con
     thm nat.induct


thm nat.induct

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 7. Definir la función
     repite :: nat  'a  'a list
  tal que (repite n x) es la lista formada por n copias del elemento
  x. Por ejemplo, 
     repite 3 a = [a,a,a]
  ------------------------------------------------------------------ 

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

value "repite 3 a = [a,a,a]"

text  --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 8. (p. 18) Demostrar que 
     longitud (repite n x) = n
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "longitud (repite n x) = n"
  apply (induct n) (* 1. longitud (repite 0 x) = 0
                      2. ⋀n. longitud (repite n x) = n ⟹
                         longitud (repite (Suc n) x) = Suc n *)
   apply simp      (* 1. ⋀n. longitud (repite n x) = n ⟹
                         longitud (repite (Suc n) x) = Suc n *)
  apply simp       (* No subgoals *)
  done

(* La demostración aplicativa con simp_all es *)
lemma "longitud (repite n x) = n"
  apply (induct n) (* 1. longitud (repite 0 x) = 0
                      2. ⋀n. longitud (repite n x) = n ⟹
                         longitud (repite (Suc n) x) = Suc n *)
   apply simp_all  (* No subgoals *)
  done

(* La demostración automática es *)
lemma "longitud (repite n x) = n"
  by (induct n) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma "longitud (repite n x) = n"
proof (induct n)
  show "longitud (repite 0 x) = 0" 
    by simp
next 
  fix n
  assume HI: "longitud (repite n x) = n"
  have "longitud (repite (Suc n) x) = longitud (x # (repite n x))" 
    by simp
  also have "… = 1 + longitud (repite n x)" 
    by simp
  also have "… = 1 + n" 
    using HI by simp
  finally show "longitud (repite (Suc n) x) = Suc n" 
    by simp
qed

text Comentarios sobre la demostración anterior:
  · A la derecha de proof se indica el método de la demostración.
  · (induct n) indica que la demostración se hará por inducción en n.
  · Se generan dos subobjetivos correspondientes a la base y el paso de
    inducción:
    1. longitud (repite 0 x) = 0
    2. n. longitud (repite n x) = n  
            longitud (repite (Suc n) x) = Suc n
    donde n se lee "para todo n".  
  · "next" indica el siguiente subobjetivo.
  · "fix n" indica "sea n un número natural cualquiera"
  · assume HI: "longitud (repite n x) = n" indica «supongamos que 
    "longitud (repite n x) = n" y sea HI la etiqueta de este supuesto».
  · "using HI" usando la propiedad etiquetada con HI. 

(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "longitud (repite n x) = n"
proof (induct n)
  show "longitud (repite 0 x) = 0"
    by (simp only: repite.simps(1)
                   longitud.simps(1))
next 
  fix n
  assume HI: "longitud (repite n x) = n"
  have "longitud (repite (Suc n) x) = longitud (x # (repite n x))" 
    by (simp only: repite.simps(2))
  also have "… = 1 + longitud (repite n x)" 
    by (simp only: longitud.simps(2))
  also have "… = 1 + n" 
    by (simp only: HI)
  also have "… = Suc n"
    find_theorems "Suc _ = _ + _"
    by (simp only: Suc_eq_plus1_left)
  finally show "longitud (repite (Suc n) x) = Suc n" 
    by this
qed

section Razonamiento por inducción sobre listas 

text Para demostrar una propiedad para todas las listas basta demostrar
  que la lista vacía tiene la propiedad y que al añadir un elemento a
  una lista que tiene la propiedad se obtiene otra lista que también
  tiene la propiedad. 

  En Isabelle el principio de inducción sobre listas está formalizado
  mediante el teorema list.induct 
     P []; 
      x xs. P xs  P (x#xs) 
      P xs


thm list.induct

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 9. Definir la función
     conc :: 'a list  'a list  'a list
  tal que (conc xs ys) es la concatención de las listas xs e ys. Por
  ejemplo, 
     conc [a,d] [b,d,a,c] = [a,d,b,d,a,c]
  ------------------------------------------------------------------ 

fun conc :: "'a list ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
  "conc []     ys = ys"
| "conc (x#xs) ys = x # (conc xs ys)"

value "conc [a,d] [b,d,a,c] = [a,d,b,d,a,c]"

text  --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 10. (p. 24) Demostrar que 
     conc xs (conc ys zs) = (conc xs ys) zs
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
  apply (induct xs) (*  1. conc [] (conc ys zs) = conc (conc [] ys) zs
                        2. ⋀a xs.
                              conc xs (conc ys zs) =
                              conc (conc xs ys) zs ⟹
                              conc (a # xs) (conc ys zs) =
                              conc (conc (a # xs) ys) zs *)
   apply simp_all   (* No subgoals! *)
  done  

(* La demostración automática es *)
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
  by (induct xs) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
proof (induct xs)
  show "conc [] (conc ys zs) = conc (conc [] ys) zs" 
    by simp
next
  fix x xs
  assume HI: "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs" 
  have "conc (x # xs) (conc ys zs) = x # (conc xs (conc ys zs))" 
    by simp
  also have "… = x # (conc (conc xs ys) zs)" 
    using HI by simp
  also have "… = conc (conc (x # xs) ys) zs" 
    by simp
  finally show "conc (x # xs) (conc ys zs) = conc (conc (x # xs) ys) zs" 
    by simp
qed

(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs"
proof (induct xs)
  show "conc [] (conc ys zs) = conc (conc [] ys) zs" 
    by (simp only: conc.simps(1))
next
  fix x xs
  assume HI: "conc xs (conc ys zs) = conc (conc xs ys) zs" 
  have "conc (x # xs) (conc ys zs) = x # (conc xs (conc ys zs))" 
    by (simp only: conc.simps(2))
  also have "… = x # (conc (conc xs ys) zs)" 
    using HI by (simp only:)
  also have "… = conc (conc (x # xs) ys) zs" 
    by (simp only: conc.simps(2))
  finally show "conc (x # xs) (conc ys zs) = conc (conc (x # xs) ys) zs" 
    by this
qed

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 11. Refutar que 
     conc xs ys = conc ys xs
  ------------------------------------------------------------------- 

lemma "conc xs ys = conc ys xs"
  quickcheck
  oops

text  Encuentra el contraejemplo, 
  xs = [a2]
  ys = [a1] 

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 12. (p. 28) Demostrar que 
     conc xs [] = xs
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "conc xs [] = xs"
  apply (induct xs) (* 1. conc [] [] = []
                       2. ⋀a xs.
                             conc xs [] = xs ⟹
                             conc (a # xs) [] = a # xs *)
   apply simp_all   (* No subgoals! *)
  done  

(* La demostración automática es *)
lemma "conc xs [] = xs"
  by (induct xs) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma "conc xs [] = xs"
proof (induct xs)
  show "conc [] [] = []" by simp
next 
  fix x xs
  assume HI: "conc xs [] = xs" 
  have "conc (x # xs) [] = x # (conc xs [])" 
    by simp
  also have "… = x # xs" 
    using HI by simp
  finally show "conc (x # xs) [] = x # xs" 
    by simp
qed

(* declare [[show_types]] *)

(* La demostración declarativa es *)
lemma "conc xs [] = xs"
proof (induct xs)
  show "conc [] [] = []" by simp
next 
  fix x :: "'a" and xs :: "'a list"
  assume HI: "conc xs [] = xs" 
  have "conc (x # xs) [] = x # (conc xs [])" 
    by simp
  also have "… = x # xs" 
    using HI by simp
  finally show "conc (x # xs) [] = x # xs" 
    by simp
qed

(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "conc xs [] = xs"
proof (induct xs)
  show "conc [] [] = []" 
    by (simp only: conc.simps(1))
next 
  fix x :: "'a" and xs :: "'a list"
  assume HI: "conc xs [] = xs" 
  have "conc (x # xs) [] = x # (conc xs [])" 
    by (simp only: conc.simps(2))
  also have "… = x # xs" 
    using HI by (simp only:)
  finally show "conc (x # xs) [] = x # xs" 
    by this
qed

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 13. (p. 30) Demostrar que 
     longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
  apply (induct xs) (* 1. longitud (conc [] ys) =
                          longitud [] + longitud ys
                       2. ⋀a xs.
                             longitud (conc xs ys) =
                             longitud xs + longitud ys ⟹
                             longitud (conc (a # xs) ys) =
                             longitud (a # xs) + longitud ys *) 
   apply simp_all   (* No subgoals! *)
  done  

(* La demostración automática es *)
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
  by (induct xs) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
proof (induct xs)
  show "longitud (conc [] ys) = longitud [] + longitud ys" by simp
next
  fix x xs
  assume HI: "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
  have "longitud (conc (x # xs) ys) = longitud (x # (conc xs ys))" 
    by simp
  also have "… = 1 + longitud (conc xs ys)" 
    by simp
  also have "… = 1 + longitud xs + longitud ys" 
    using HI by simp
  also have "… = longitud (x # xs) + longitud ys" 
    by simp
  finally show "longitud (conc (x # xs) ys) = 
                longitud (x # xs) + longitud ys" 
    by simp
qed

(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
proof (induct xs)
  show "longitud (conc [] ys) = longitud [] + longitud ys" 
    by (simp only: conc.simps(1)
                   longitud.simps(1))
next
  fix x xs
  assume HI: "longitud (conc xs ys) = longitud xs + longitud ys"
  have "longitud (conc (x # xs) ys) = longitud (x # (conc xs ys))" 
    by (simp only: conc.simps(2))
  also have "… = 1 + longitud (conc xs ys)" 
    by (simp only: longitud.simps(2))
  also have "… = 1 + longitud xs + longitud ys" 
    using HI by (simp only:)
  also have "… = longitud (x # xs) + longitud ys" 
    by (simp only: longitud.simps(2))
  finally show "longitud (conc (x # xs) ys) = 
                longitud (x # xs) + longitud ys" 
    by this
qed

section Inducción correspondiente a la definición recursiva 

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 14. Definir la función
     coge :: nat  'a list  'a list
  tal que (coge n xs) es la lista de los n primeros elementos de xs. Por 
  ejemplo, 
     coge 2 [a,c,d,b,e] = [a,c]
  ------------------------------------------------------------------ 

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

value "coge 2 [a,c,d,b,e] = [a,c]"

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 15. Definir la función
     elimina :: nat  'a list  'a list
  tal que (elimina n xs) es la lista obtenida eliminando los n primeros
  elementos de xs. Por ejemplo, 
     elimina 2 [a,c,d,b,e] = [d,b,e]
  ------------------------------------------------------------------ 

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

value "elimina 2 [a,c,d,b,e] = [d,b,e]"

text  
  La definición coge genera el esquema de inducción coge.induct:
     ⟦⋀n. P n []; 
      x xs. P 0 (x#xs); 
      n x xs. P n xs  P (Suc n) (x#xs)
      P n x

  Puede verse usando "thm coge.induct". 

thm coge.induct

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 16. (p. 35) Demostrar que 
     conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
  apply (induct rule: coge.induct) 
      (*  1. ⋀n. conc (coge n []) (elimina n []) = []
          2. ⋀v va. conc (coge 0 (v # va)) (elimina 0 (v # va)) =
                     v # va
          3. ⋀n x xs. conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs ⟹
                       conc (coge (Suc n) (x # xs)) 
                            (elimina (Suc n) (x # xs)) =
                       x # xs *)
    apply simp_all
      (* No subgoals! *)
  done

(* La demostración automática es *)
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
  by (induct rule: coge.induct) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
proof (induct rule: coge.induct)
  fix n
  show "conc (coge n []) (elimina n []) = []" 
    by simp
next
  fix x :: "'a" and xs :: "'a list"
  show "conc (coge 0 (x#xs)) (elimina 0 (x#xs)) = x#xs" 
    by simp
next
  fix n and x :: "'a" and xs :: "'a list"
  assume HI: "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
  have "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) = 
        conc (x#(coge n xs)) (elimina n xs)" 
    by simp
  also have "… = x#(conc (coge n xs) (elimina n xs))" 
    by simp
  also have "… = x#xs" 
    using HI by simp  
  finally show "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) = 
                x#xs"
    by simp
qed

text Comentario sobre la demostración anterior:
  · (induct rule: coge.induct) indica que el método de demostración es
    por el esquema de inducción correspondiente a la definición de la
    función coge.
  · Se generan 3 subobjetivos:
    · 1. n. conc (coge n []) (elimina n []) = []
    · 2. x xs. conc (coge 0 (x#xs)) (elimina 0 (x#xs)) = x#xs
    · 3. n x xs. 
            conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs 
            conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) = x#xs


(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
proof (induct rule: coge.induct)
  fix n
  show "conc (coge n []) (elimina n []) = []" 
    by (simp only: coge.simps(1)
                   elimina.simps(1)
                   conc.simps(1))
next
  fix x :: "'a" and xs :: "'a list"
  show "conc (coge 0 (x#xs)) (elimina 0 (x#xs)) = x#xs" 
    by (simp only: coge.simps(2)
                   elimina.simps(2)
                   conc.simps(1))
next
  fix n and x :: "'a" and xs :: "'a list"
  assume HI: "conc (coge n xs) (elimina n xs) = xs"
  have "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) = 
        conc (x#(coge n xs)) (elimina n xs)" 
    by (simp only: coge.simps(3)
                   elimina.simps(3))
  also have "… = x#(conc (coge n xs) (elimina n xs))" 
    by (simp only: conc.simps(2))
  also have "… = x#xs" 
    using HI by (simp only:) 
  finally show "conc (coge (Suc n) (x#xs)) (elimina (Suc n) (x#xs)) = 
                x#xs"
    by this
qed

section Razonamiento por casos 

text  --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 17. Definir la función
     esVacia :: 'a list  bool
  tal que (esVacia xs) se verifica si xs es la lista vacía. Por ejemplo,
     esVacia []  = True
     esVacia [1] = False
  ------------------------------------------------------------------ 

fun esVacia :: "'a list ⇒ bool" where
  "esVacia []     = True"
| "esVacia (x#xs) = False"

value "esVacia []  = True"
value "esVacia [a] = False"

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 18 (p. 39) . Demostrar que 
     esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
  apply (cases xs) 
     (* 1. xs = [] ⟹ esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
        2. ⋀a list. xs = a # list ⟹
                    esVacia xs = esVacia (conc xs xs) *)
   apply simp_all
     (* No subgoals! *)
  done

(* La demostración automática es *)
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
  by (cases xs) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
proof (cases xs)
  assume "xs = []"
  then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" 
    by simp
next
  fix y ys
  assume "xs = y#ys"
  then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" 
    by simp
qed

text Comentarios sobre la demostración anterior:
  · "(cases xs)" es el método de demostración por casos según xs.
  · Se generan dos subobjetivos  correspondientes a los dos
    constructores de listas:
    · 1. xs = []  esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
    · 2. y ys. xs = y#ys  esVacia xs = esVacia (conc xs xs)
  · "then" indica "usando la propiedad anterior"


(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
proof (cases xs)
  assume "xs = []"
  then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" 
    by (simp only: conc.simps(1))
next
  fix y ys
  assume "xs = y#ys"
  then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" 
    by (simp only: esVacia.simps(2)
                   conc.simps(2))
qed

(* La demostración declarativa simplificada es *)
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
proof (cases xs)
  case Nil
  then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" 
    by simp
next
  case Cons
  then show "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)" 
    by simp
qed

text 
  Comentarios sobre la demostración anterior:
  · "case Nil" es una abreviatura de "assume xs = []"
  · "case Cons" es una abreviatura de "fix y ys assume xs = y#ys"

(* La demostración con el patrón sugerido es *)
lemma "esVacia xs = esVacia (conc xs xs)"
proof (cases xs)
  case Nil
  then show ?thesis by simp
next
  case (Cons x xs)
  then show ?thesis by simp
qed

section Heurística de generalización 

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 19. Definir la función
     inversaAc :: 'a list  'a list
  tal que (inversaAc xs) es a inversa de xs calculada usando
  acumuladores. Por ejemplo, 
     inversaAc [a,c,b,e] = [e,b,c,a]
  ------------------------------------------------------------------ 

fun inversaAcAux :: "'a list ⇒ 'a list ⇒ 'a list" where
  "inversaAcAux [] ys     = ys"
| "inversaAcAux (x#xs) ys = inversaAcAux xs (x#ys)"

definition inversaAc :: "'a list ⇒ 'a list" where
  "inversaAc xs = inversaAcAux xs []"

value "inversaAc [a,c,b,e] = [e,b,c,a]"

text Lema. [Ejemplo de equivalencia entre las definiciones]
  La inversa de [a,b,c] es lo mismo calculada con la primera definición
  que con la segunda.

lemma "inversaAc [a,b,c] = inversa [a,b,c]"
  by (simp add: inversaAc_def)

text Nota. [Ejemplo fallido de demostración por inducción]
  El siguiente intento de demostrar que para cualquier lista xs, se
  tiene que  "inversaAc xs = inversa xs" falla.

lemma "inversaAc xs = inversa xs"
proof (induct xs)
  show "inversaAc [] = inversa []" 
    by (simp add: inversaAc_def)
next
  fix a :: "'b" and xs :: "'b list" 
  assume HI: "inversaAc xs = inversa xs"
  have "inversaAc (a#xs) = inversaAcAux (a#xs) []" 
    by (simp add: inversaAc_def)
  also have "… = inversaAcAux xs [a]" 
    by simp
  also have "… = inversa (a#xs)"
  (* Problema: la hipótesis de inducción no es aplicable. *)
oops

text Nota. [Heurística de generalización]
  Cuando se use demostración estructural, cuantificar universalmente las 
  variables libres (o, equivalentemente, considerar las variables libres
  como variables arbitrarias).

  Lema. [Lema con generalización]
  Para toda lista ys se tiene 
     inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys


text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 20. (p. 44) Demostrar que 
     inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "inversaAcAux xs ys = (inversa xs)@ys"
  apply (induct xs arbitrary: ys) 
     (* 1. ⋀ys. inversaAcAux [] ys = inversa [] @ ys
        2. ⋀a xs ys.
              (⋀ys. inversaAcAux xs ys = inversa xs @ ys) ⟹
              inversaAcAux (a # xs) ys = inversa (a # xs) @ ys *)
   apply simp_all
     (* No subgoals! *)
  done

(* La demostración automática es *)
lemma "inversaAcAux xs ys = (inversa xs)@ys"
  by (induct xs arbitrary: ys) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma
  "inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys"
proof (induct xs arbitrary: ys)
  show "⋀ys. inversaAcAux [] ys = (inversa [])@ys" 
    by simp
next
  fix a :: "'b" and xs :: "'b list" 
  assume HI: "⋀ys. inversaAcAux xs ys = inversa xs@ys"
  show "⋀ys. inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys"
  proof -
    fix ys
    have "inversaAcAux (a#xs) ys = inversaAcAux xs (a#ys)" 
      by simp
    also have "… = inversa xs@(a#ys)" 
      using HI by simp
    also have "… = inversa (a#xs)@ys" using [[simp_trace]] 
      by simp 
    finally show "inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys" 
      by simp
  qed
qed

text Comentarios sobre la demostración anterior:
  · "(induct xs arbitrary: ys)" es el método de demostración por
    inducción sobre xs usando ys como variable arbitraria.
  · Se generan dos subobjetivos:
    · 1. ys. inversaAcAux [] ys = inversa [] @ ys
    · 2. a xs ys. (ys. inversaAcAux xs ys = inversa xs @ ys) 
                    inversaAcAux (a # xs) ys = inversa (a # xs) @ ys
  · Dentro de una demostración se pueden incluir otras demostraciones.
  · Para demostrar la propiedad universal "⋀ys. P(ys)" se elige una
    lista arbitraria (con "fix ys") y se demuestra "P(ys)". 

text Nota. En el paso "inversa xs@(a#ys) = inversa (a#xs)@ys" se usan
  lemas de la teoría List. Se puede observar, insertano 
     using [[simp_trace]]
  entre la igualdad y by simp, que los lemas usados son 
  · List.append_simps_1: []@ys = ys
  · List.append_simps_2: (x#xs)@ys = x#(xs@ys)
  · List.append_assoc:   (xs @ ys) @ zs = xs @ (ys @ zs)
  Las dos primeras son las ecuaciones de la definición de append.

  En la siguiente demostración se detallan los lemas utilizados.


 Demostración aplicativa
lemma "(inversa xs)@(a#ys) = (inversa (a#xs))@ys"
  apply (simp only: inversa.simps(2))
    (* inversa xs @ (a # ys) = (inversa xs @ [a]) @ ys*)
  apply (simp only: append_assoc)
    (* inversa xs @ (a # ys) = inversa xs @ ([a] @ ys) *)
  apply (simp only: append.simps(2))
    (* inversa xs @ (a # ys) = inversa xs @ (a # ([] @ ys)) *)
  apply (simp only: append.simps(1))
    (* *)
  done

 Demostración declarativa detallada del lema auxiliar
lemma auxiliar: "(inversa xs)@(a#ys) = (inversa (a#xs))@ys"
proof -
  have "(inversa xs)@(a#ys) = (inversa xs)@(a#([]@ys))" 
    by (simp only: append.simps(1))
  also have "… = (inversa xs)@([a]@ys)" 
    by (simp only: append.simps(2))
  also have "… = ((inversa xs)@[a])@ys" 
    by (simp only: append_assoc)
  also have "… = (inversa (a#xs))@ys" 
    by (simp only: inversa.simps(2))
  finally show ?thesis 
    by this
qed

(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma inversaAcAux_es_inversa:
  "inversaAcAux xs ys = (inversa xs) @ ys"
proof (induct xs arbitrary: ys)
  fix ys :: "'b list"
  show "inversaAcAux [] ys = (inversa [])@ys" 
    by (simp only: inversaAcAux.simps(1)
                   inversa.simps(1)
                   append.simps(1))
next
  fix a :: "'b" and xs :: "'b list"
  assume HI: "⋀ys. inversaAcAux xs ys = inversa xs@ys"
  show "⋀ys. inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys"
  proof -
    fix ys
    have "inversaAcAux (a#xs) ys = inversaAcAux xs (a#ys)" 
      by (simp only: inversaAcAux.simps(2))
    also have "… = inversa xs@(a#ys)" 
      using HI by (simp only:)
    also have "… = inversa (a#xs)@ys" 
      by (rule auxiliar) 
    finally show "inversaAcAux (a#xs) ys = inversa (a#xs)@ys" 
      by this
  qed
qed

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 21. (p. 43) Demostrar que 
     inversaAc xs = inversa xs
  ------------------------------------------------------------------- 

(* La demostración aplicativa es *)
corollary "inversaAc xs = inversa xs"
  apply (simp add: inversaAcAux_es_inversa inversaAc_def)
  done 

(* La demostración automática es *)
corollary "inversaAc xs = inversa xs"
  by (simp add: inversaAcAux_es_inversa inversaAc_def)

text Comentario de la demostración anterior:
  · "(simp add: inversaAcAux_es_inversa inversaAc_def)" es el método de 
    demostración por simplificación usando como regla de simplificación 
    las propiedades inversaAcAux_es_inversa e inversaAc_def. 
 
section Demostración por inducción para funciones de orden superior 

text  --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 22. Definir la función
     sum :: nat list  nat
  tal que (sum xs) es la suma de los elementos de xs. Por ejemplo,
     sum [3,2,5] = 10
  ------------------------------------------------------------------ 

fun sum :: "nat list ⇒ nat" where
  "sum []     = 0"
| "sum (x#xs) = x + sum xs"

value "sum [3,2,5] = 10"

text --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 23. Definir la función
     map :: ('a  'b)  'a list  'b list
  tal que (map f xs) es la lista obtenida aplicando la función f a los
  elementos de xs. Por ejemplo,
     map (λx. 2*x) [3::nat,2,5] = [6,4,10]
     map ((*) 2) [3::nat,2,5] = [6,4,10]
     map ((+) 2)   [3::nat,2,5] = [5,4,7]
  ------------------------------------------------------------------ ›

fun map :: "('a ⇒ 'b) ⇒ 'a list ⇒ 'b list" where
  "map f []     = []"
| "map f (x#xs) = (f x) # map f xs"

value "map (λx. 2*x) [3::nat,2,5] = [6,4,10]"
value "map ((*) 2)   [3::nat,2,5] = [6,4,10]"
value "map ((+) 2)   [3::nat,2,5] = [5,4,7]"

text ‹--------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 24. (p. 45) Demostrar que 
     sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)
  ------------------------------------------------------------------- ›

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
  apply (induct xs) 
     (* 1. sum (map (( * ) 2) []) = 2 * sum []
        2. ⋀a xs. sum (map (( * ) 2) xs) = 2 * sum xs ⟹
                  sum (map (( * ) 2) (a # xs)) = 2 * sum (a # xs) *)
   apply simp_all
     (* No subgoals! *)
  done

(* La demostración automática es *)
lemma "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
  by (induct xs) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
proof (induct xs)
  show "sum (map ((*) 2) []) = 2 * (sum [])" by simp
next
  fix a xs
  assume HI: "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
  have "sum (map ((*) 2) (a#xs)) = sum ((2*a)#(map ((*) 2) xs))" 
    by simp
  also have "… = 2*a + sum (map ((*) 2) xs)" 
    by simp
  also have "… = 2*a + 2*(sum xs)" 
    using HI by simp
  also have "… = 2*(a + sum xs)" 
    by simp
  also have "… = 2*(sum (a#xs))" 
    by simp
  finally show "sum (map ((*) 2) (a#xs)) = 2*(sum (a#xs))" 
    by simp
qed

(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
proof (induct xs)
  show "sum (map ((*) 2) []) = 2 * (sum [])" 
    by (simp only: map.simps(1)
                   sum.simps(1))
next
  fix a xs
  assume HI: "sum (map ((*) 2) xs) = 2 * (sum xs)"
  have "sum (map ((*) 2) (a#xs)) = sum ((2*a)#(map ((*) 2) xs))" 
    by (simp only: map.simps(2))
  also have "… = 2*a + sum (map ((*) 2) xs)" 
    by (simp only: sum.simps(2))
  also have "… = 2*a + 2*(sum xs)" 
    using HI by (simp only:)
  also have "… = 2*(a + sum xs)" 
    find_theorems "_ * (_ + _)"
    by (simp only: add_mult_distrib2)
  also have "… = 2*(sum (a#xs))" 
    by (simp only: sum.simps(2))
  finally show "sum (map ((*) 2) (a#xs)) = 2*(sum (a#xs))" 
    by this
qed

text ‹ --------------------------------------------------------------- 
  Ejemplo 25. (p. 48) Demostrar que 
     longitud (map f xs) = longitud xs
  ------------------------------------------------------------------- ›

(* La demostración aplicativa es *)
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
  apply (induct xs) 
     (* 1. longitud (map f []) = longitud []
        2. ⋀a xs. longitud (map f xs) = longitud xs ⟹
                   longitud (map f (a # xs)) = longitud (a # xs) *)
   apply simp_all
     (* No subgoals! *)
  done

(* La demostración automática es *)
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
  by (induct xs) simp_all

(* La demostración declarativa es *)
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
proof (induct xs)
  show "longitud (map f []) = longitud []" 
    by simp
next
  fix a xs
  assume HI: "longitud (map f xs) = longitud xs"
  have "longitud (map f (a#xs)) = longitud (f a # (map f xs))" 
    by simp
  also have "… = 1 + longitud (map f xs)" 
    by simp
  also have "… = 1 + longitud xs" 
    using HI by simp
  also have "… = longitud (a#xs)" 
    by simp
  finally show "longitud (map f (a#xs)) = longitud (a#xs)" 
    by simp
qed

(* La demostración declarativa detallada es *)
lemma "longitud (map f xs) = longitud xs"
proof (induct xs)
  show "longitud (map f []) = longitud []" 
    by (simp only: map.simps(1)
                   longitud.simps(1))
next
  fix a xs
  assume HI: "longitud (map f xs) = longitud xs"
  have "longitud (map f (a#xs)) = longitud (f a # (map f xs))" 
    by (simp only: map.simps(2))
  also have "… = 1 + longitud (map f xs)" 
    by (simp only: longitud.simps(2))
  also have "… = 1 + longitud xs" 
    using HI by (simp only:)
  also have "… = longitud (a#xs)" 
    by (simp only: longitud.simps(2))
  finally show "longitud (map f (a#xs)) = longitud (a#xs)" 
    by this
qed

section ‹Referencias›

text ‹
  · J.A. Alonso. "Razonamiento sobre programas" http://goo.gl/R06O3
  · G. Hutton. "Programming in Haskell". Cap. 13 "Reasoning about
    programms". 
  · S. Thompson. "Haskell: the Craft of Functional Programming, 3rd
    Edition. Cap. 8 "Reasoning about programms". 
  · L. Paulson. "ML for the Working Programmer, 2nd Edition". Cap. 6. 
    "Reasoning about functional programs". 


end