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Día: 8 octubre 2021

El cociente aplica relaciones de equivalencia en particiones

Este ejercicio es el 9º de una serie cuyo objetivo es demostrar que el tipo de las particiones de un conjunto X es isomorfo al tipo de las relaciones de equivalencia sobre X.

Los anteriores son
1. Igualdad de bloques de una partición cuando tienen elementos comunes.
2. Pertenencia a bloques de una partición con elementos comunes.
3. Pertenencia a su propia clase de equivalencia.
4. Las clases de equivalencia contienen a las clases de equivalencia de sus elementos.
5. Las clases de equivalencia son iguales a las de sus elementos.
6. Las clases de equivalencia son no vacías.
7. Las clases de equivalencia recubren el conjunto.
8. Las clases de equivalencia son disjuntas.

El ejercicio consiste en definir la función

   cociente : {R : A  A  Prop // equivalence R}  particion A

tal que cociente R es la partición de A formada por las clases de equivalencia de la relación de equivalencia R.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import tactic
 
@[ext] structure particion (A : Type) :=
(Bloques    : set (set A))
(Hno_vacios :  X ∈ Bloques, (X : set A).nonempty)
(Hrecubren  :  a,  X ∈ Bloques, a ∈ X)
(Hdisjuntos :  X Y ∈ Bloques, (X ∩ Y : set A).nonempty  X = Y)
 
namespace particion
 
variable  {A : Type}
variable  {P : particion A}
variables {X Y : set A}
variable  (R : A  A  Prop)
 
def clase (a : A) :=
  {b : A | R b a}
 
def clases : (A  A  Prop)  set (set A) :=
  λ R, {B : set A |  x : A, B = clase R x}
 
def cociente : {R : A  A  Prop // equivalence R}  particion A :=
sorry
 
end particion
Soluciones con Lean
import tactic
 
@[ext] structure particion (A : Type) :=
(Bloques    : set (set A))
(Hno_vacios :  X ∈ Bloques, (X : set A).nonempty)
(Hrecubren  :  a,  X ∈ Bloques, a ∈ X)
(Hdisjuntos :  X Y ∈ Bloques, (X ∩ Y : set A).nonempty  X = Y)
 
namespace particion
 
variable  {A : Type}
variable  {P : particion A}
variables {X Y : set A}
variable  (R : A  A  Prop)
 
def clase (a : A) :=
  {b : A | R b a}
 
def clases : (A  A  Prop)  set (set A) :=
  λ R, {B : set A |  x : A, B = clase R x}
 
lemma pertenece_clase_syss
  {a b : A}
  : b ∈ clase R a  R b a :=
by refl
 
lemma clases_no_vacias
  (hR: equivalence R)
  :  (X : set A), X ∈ clases R  X.nonempty :=
begin
  rintros _ ⟨a, rfl⟩,
  use a,
  rw pertenece_clase_syss,
  apply hR.1,
end
 
lemma clases_recubren
  (hR: equivalence R)
  :  a,  X ∈ clases R, a ∈ X :=
begin
  intro a,
  use clase R a,
  split,
  { use a, },
  { exact hR.1 a, },
end
 
lemma subclase_si_pertenece
  {R : A  A  Prop}
  (hR: equivalence R)
  {a b : A}
  : a ∈ clase R b  clase R a ⊆ clase R b :=
λ hab z hza, hR.2.2 hza hab
 
lemma clases_iguales_si_pertenece
  {R : A  A  Prop}
  (hR: equivalence R)
  {a b : A}
  : a ∈ clase R b  clase R a = clase R b :=
λ hab, set.subset.antisymm
        (subclase_si_pertenece hR hab)
        (subclase_si_pertenece hR (hR.2.1 hab))
 
lemma clases_disjuntas
  (hR: equivalence R)
  :  X Y ∈ clases R, (X ∩ Y : set A).nonempty  X = Y :=
begin
  rintros X Y ⟨a, rfl⟩ ⟨b, rfl⟩ ⟨c, hca, hcb⟩,
  exact clases_iguales_si_pertenece hR (hR.2.2 (hR.2.1 hca) hcb),
end
 
def cociente : {R : A  A  Prop // equivalence R}  particion A :=
  λ R, { Bloques    := {B : set A |  x : A, B = clase R.1 x},
         Hno_vacios := clases_no_vacias R.1 R.2,
         Hrecubren  := clases_recubren R.1 R.2,
         Hdisjuntos := clases_disjuntas R.1 R.2, }
 
end particion

Se puede interactuar con la prueba anterior en esta sesión con Lean.

En los comentarios se pueden escribir otras soluciones, escribiendo el código entre una línea con <pre lang="lean"> y otra con </pre>