Si la sucesión u converge a a y la v a b, entonces u+v converge a a+b

Demostrar con Lean4 que si la sucesión \(u\) converge a \(a\) y la \(v\) a \(b\), entonces \(u+v\) converge a \(a+b\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

En la demostración usaremos los siguientes lemas
\begin{align}
&(∀ a ∈ ℝ)\left[a > 0 → \frac{a}{2} > 0\right] \tag{L1} \\
&(∀ a, b, c ∈ ℝ)[\max(a, b) ≤ c → a ≤ c] \tag{L2} \\
&(∀ a, b, c ∈ ℝ)[\max(a, b) ≤ c → b ≤ c] \tag{L3} \\
&(∀ a, b ∈ ℝ)[|a + b| ≤ |a| + |b|] \tag{L4} \\
&(∀ a ∈ ℝ)\left[\frac{a}{2} + \frac{a}{2} = a\right] \tag{L5}
\end{align}

Tenemos que probar que para todo \(ε ∈ ℝ\), si
\[ ε > 0 \tag{1} \]
entonces
\[ (∃N ∈ ℕ)(∀n ∈ ℕ)[n ≥ N → |(u + v)(n) – (a + b)| < ε] \tag{2} \]

Por (1) y el lema L1, se tiene que
\[ \frac{ε}{2} > 0 \tag{3} \]
Por (3) y porque el límite de \(u\) es \(a\), se tiene que
\[ (∃N ∈ ℕ)(∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ N → |u(n) – a| < \frac{ε}{2}\right] \]
Sea \(N₁ ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ N₁ → |u(n) – a| < \frac{ε}{2}\right] \tag{4} \]
Por (3) y porque el límite de \(v\) es \(b\), se tiene que
\[ (∃N ∈ ℕ)(∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ N → |v(n) – b| < \frac{ε}{2}\right] \]
Sea \(N₂ ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ N₂ → |v(n) – b| < \frac{ε}{2}\right] \tag{5} \]
Sea \(N = \max(N₁, N₂)\). Veamos que verifica la condición (1). Para ello, sea \(n ∈ ℕ\) tal que \(n ≥ N\). Entonces, \(n ≥ N₁\) (por L2) y \(n ≥ N₂\) (por L3). Por tanto, usando las propiedades (4) y (5) se tiene que
\begin{align}
|u(n) – a| &< \frac{ε}{2} \tag{6} \\
|v(n) – b| &< \frac{ε}{2} \tag{7}
\end{align}
Finalmente,
\begin{align}
|(u + v)(n) – (a + b)| &= |(u(n) + v(n)) – (a + b)| \\
&= |(u(n) – a) + (v(n) – b)| \\
&≤ |u(n) – a| + |v(n) – b| &&\text{[por L4]}\\
&< \frac{ε}{2} + \frac{ε}{2} &&\text{[por (6) y (7)]}\\
&= ε &&\text{[por L5]}
\end{align}

2. Demostraciones con Lean4

Demostraciones interactivas

Se puede interactuar con las demostraciones anteriores en Lean 4 Web.

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

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