Si una función es creciente e involutiva, entonces es la identidad

Sea una función \(f\) de \(ℝ\) en \(ℝ\).

  • Se dice que \(f\) es creciente si para todo \(x\) e \(y\) tales que \(x ≤ y\) se tiene que \(f(x) ≤ f(y)\).
  • Se dice que \(f\) es involutiva si para todo \(x\) se tiene que \(f(f(x)) = x\).

En Lean4 que \(f\) sea creciente se representa por Monotone f y que sea involutiva por Involutive f

Demostrar con Lean4 que si \(f\) es creciente e involutiva, entonces \(f\) es la identidad.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

Tenemos que demostrar que para todo \(x ∈ ℝ\), \(f(x) = x\). Sea \(x ∈ ℝ\). Entonces, por ser \(f\) involutiva, se tiene que
\[ f(f(x)) = x \tag{1} \]
Además, por las propiedades del orden, se tiene que \(f(x) ≤ x\) ó \(x ≤ f(x)\). Demostraremos que \(f(x) = x\) en los dos casos.

Caso 1: Supongamos que
\[ f(x) ≤ x \tag{2} \]
Entonces, por ser \(f\) creciente, se tiene que
\[ f(f(x)) ≤ f(x) \tag{3} \]
Sustituyendo (1) en (3), se tiene
\[ x ≤ f(x) \]
que junto con (1) da
\[ f(x) = x \]

Caso 2: Supongamos que
\[ x ≤ f(x) \tag{4} \]
Entonces, por ser \(f\) creciente, se tiene que
\[ f(x) ≤ f(f(x)) \tag{5} \]
Sustituyendo (1) en (5), se tiene
\[ f(x) ≤ x \]
que junto con (4) da
\[ f(x) = x \]

2. Demostraciones con Lean4

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

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

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