f[s] ∩ t = f[s ∩ f⁻¹[t]]

Demostrar con Lean4 que
\[ f[s] ∩ t = f[s ∩ f⁻¹[t]] \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

Tenemos que demostrar que, para toda \(y\),
\[ y ∈ f[s] ∩ t ↔ y ∈ f[s ∩ f⁻¹[t]] \]
Lo haremos probando las dos implicaciones.

(⟹) Supongamos que \(y ∈ f[s] ∩ t\). Entonces, se tiene que
\begin{align}
&y ∈ f[s] \tag{1} \\
&y ∈ t \tag{2}
\end{align}
Por (1), existe un \(x\) tal que
\begin{align}
&x ∈ s \tag{3} \\
&f(x) = y \tag{4}
\end{align}
Por (2) y (4),
\[ f(x) ∈ t \]
y, por tanto,
\[ x ∈ f⁻¹[t] \]
que, junto con (3), da
\{ x ∈ s ∩ f⁻¹[t] \]
y, por tanto,
\[ f(x) ∈ f[s ∩ f⁻¹[t]] \]
que, junto con (4), da
\[ y ∈ f[s ∩ f⁻¹[t]] \]

(⟸) Supongamos que \(y ∈ f[s ∩ f⁻¹[t]]\). Entonces, existe un \(x\) tal que
\begin{align}
&x ∈ s ∩ f⁻¹[t] \tag{5} \\
&f(x) = y \tag{6}
\end{align}
Por (1), se tiene que
\begin{align}
&x ∈ s \tag{7} \\
&x ∈ f⁻¹[t] \tag{8}
\end{align}
Por (7) se tiene que
\[ f(x) ∈ f[s] \]
y, junto con (6), se tiene que
\[ y ∈ f[s] \tag{9} \]
Por (8), se tiene que
\[ f(x) ∈ t \]
y, junto con (6), se tiene que
\[ y ∈ t \tag{10} \]
Por (9) y (19), se tiene que
\[ y ∈ f[s] ∩ t \]

2. Demostraciones con Lean4

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

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

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