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Etiqueta: IH.exI

Las funciones de extracción no están acotadas

José A. Alonso-

Para extraer una subsucesión se aplica una función de extracción que conserva el orden; por ejemplo, la subsucesión

   uₒ, u₂, u₄, u₆, ...

se ha obtenido con la función de extracción φ tal que φ(n) = 2*n.

En Lean, se puede definir que φ es una función de extracción por

   def extraccion (φ : ℕ → ℕ) :=
     ∀ n m, n < m → φ n < φ m

Demostrar que las funciones de extracción no está acotadas; es decir, que si φ es una función de extracción, entonces

    ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import tactic
open nat
 
variable {φ : ℕ → ℕ}
 
def extraccion (φ : ℕ → ℕ) :=
  ∀ n m, n < m → φ n < φ m
 
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
sorry
Soluciones con Lean
import tactic
open nat
 
variable {φ : ℕ → ℕ}
 
def extraccion (φ : ℕ → ℕ) :=
  ∀ n m, n < m → φ n < φ m
 
lemma aux
  (h : extraccion φ)
  : ∀ n, n ≤ φ n :=
begin
  intro n,
  induction n with m HI,
  { exact nat.zero_le (φ 0), },
  { apply nat.succ_le_of_lt,
    calc m ≤ φ m        : HI
       ... < φ (succ m) : h m (m+1) (lt_add_one m), },
end
 
-- 1ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
begin
  intros N N',
  let n := max N N',
  use n,
  split,
  { exact le_max_right N N', },
  { calc N ≤ n   : le_max_left N N'
       ... ≤ φ n : aux h n, },
end
 
-- 2ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
begin
  intros N N',
  let n := max N N',
  use n,
  split,
  { exact le_max_right N N', },
  { exact le_trans (le_max_left N N')
                   (aux h n), },
end
 
-- 3ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
begin
  intros N N',
  use max N N',
  split,
  { exact le_max_right N N', },
  { exact le_trans (le_max_left N N')
                   (aux h (max N N')), },
end
 
-- 4ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
begin
  intros N N',
  use max N N',
  exact ⟨le_max_right N N',
         le_trans (le_max_left N N')
                  (aux h (max N N'))⟩,
end
 
-- 5ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
λ N N',
  ⟨max N N', ⟨le_max_right N N',
              le_trans (le_max_left N N')
                       (aux h (max N N'))⟩⟩
 
-- 6ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
assume N N',
let n := max N N' in
have h1 : n ≥ N',
  from le_max_right N N',
show ∃ n ≥ N', φ n ≥ N, from
exists.intro n
  (exists.intro h1
    (show φ n ≥ N, from
       calc N ≤ n   : le_max_left N N'
          ... ≤ φ n : aux h n))
 
-- 7ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
assume N N',
let n := max N N' in
have h1 : n ≥ N',
  from le_max_right N N',
show ∃ n ≥ N', φ n ≥ N, from
⟨n, h1, calc N ≤ n   : le_max_left N N'
          ...  ≤ φ n : aux h n⟩
 
-- 8ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
assume N N',
let n := max N N' in
have h1 : n ≥ N',
  from le_max_right N N',
show ∃ n ≥ N', φ n ≥ N, from
⟨n, h1, le_trans (le_max_left N N')
                 (aux h (max N N'))⟩
 
-- 9ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
assume N N',
let n := max N N' in
have h1 : n ≥ N',
  from le_max_right N N',
⟨n, h1, le_trans (le_max_left N N')
                 (aux h n)⟩
 
-- 10ª demostración
example
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
assume N N',
⟨max N N', le_max_right N N',
           le_trans (le_max_left N N')
                    (aux h (max N N'))⟩
 
-- 11ª demostración
lemma extraccion_mye
  (h : extraccion φ)
  : ∀ N N', ∃ n ≥ N', φ n ≥ N :=
λ N N',
  ⟨max N N', le_max_right N N',
             le_trans (le_max_left N N')
             (aux h (max N N'))⟩

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>

Soluciones con Isabelle/HOL
theory Las_funciones_de_extraccion_no_estan_acotadas
imports Main
begin
 
definition extraccion :: "(nat ⇒ nat) ⇒ bool" where
  "extraccion φ ⟷ (∀ n m. n < m ⟶ φ n < φ m)"
 
(* En la demostración se usará el siguiente lema *)
lemma aux :
  assumes "extraccion φ"
  shows   "n ≤ φ n"
proof (induct n)
  show "0 ≤ φ 0"
    by simp
next
  fix n
  assume HI : "n ≤ φ n"
  also have "φ n < φ (Suc n)"
    using assms extraccion_def by blast
  finally show "Suc n ≤ φ (Suc n)"
    by simp
qed
 
(* 1ª demostración *)
lemma
  assumes "extraccion φ"
  shows   "∀ N N'. ∃ k ≥ N'. φ k ≥ N"
proof (intro allI)
  fix N N' :: nat
  let ?k = "max N N'"
  have "max N N' ≤ ?k"
    by (rule le_refl)
  then have hk : "N ≤ ?k ∧ N' ≤ ?k"
    by (simp only: max.bounded_iff)
  then have "?k ≥ N'"
    by (rule conjunct2)
  moreover
  have "N ≤ φ ?k"
  proof -
    have "N ≤ ?k"
      using hk by (rule conjunct1)
    also have "… ≤ φ ?k"
      using assms by (rule aux)
    finally show "N ≤ φ ?k"
      by this
  qed
  ultimately have "?k ≥ N' ∧ φ ?k ≥ N"
    by (rule conjI)
  then show "∃k ≥ N'. φ k ≥ N"
    by (rule exI)
qed
 
(* 2ª demostración *)
lemma
  assumes "extraccion φ"
  shows   "∀ N N'. ∃ k ≥ N'. φ k ≥ N"
proof (intro allI)
  fix N N' :: nat
  let ?k = "max N N'"
  have "?k ≥ N'"
    by simp
  moreover
  have "N ≤ φ ?k"
  proof -
    have "N ≤ ?k"
      by simp
    also have "… ≤ φ ?k"
      using assms by (rule aux)
    finally show "N ≤ φ ?k"
      by this
  qed
  ultimately show "∃k ≥ N'. φ k ≥ N"
    by blast
qed
 
end

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

Soluciones →

Las sucesiones convergentes son sucesiones de Cauchy

José A. Alonso-

Nota: El problema de hoy lo ha escrito Sara Díaz Real y es uno de los que se encuentran en su Trabajo Fin de Máster Formalización en Lean de problemas de las Olimpiadas Internacionales de Matemáticas (IMO). Concretamente, el problema se encuentra en la página 52 junto con la demostración en lenguaje natural.

En Lean, una sucesión u₀, u₁, u₂, … se puede representar mediante una función (u : ℕ → ℝ) de forma que u(n) es uₙ.

Se define

  • el valor absoluto de x por
     notation `|`x`|` := abs x
  • a es un límite de la sucesión u, por
     def limite (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
       ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ n ≥ N, |u n - a| ≤ ε
  • la sucesión u es convergente por
     def suc_convergente (u : ℕ → ℝ) :=
       ∃ l, limite u l
  • la sucesión u es de Cauchy por
     def suc_cauchy (u : ℕ → ℝ) :=
       ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ p ≥ N, ∀ q ≥ N, |u p - u q| ≤ ε

Demostrar que las sucesiones convergentes son de Cauchy.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import data.real.basic
 
variable {u : ℕ → ℝ }
 
notation `|`x`|` := abs x
 
def limite (u : ℕ → ℝ) (l : ℝ) : Prop :=
  ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ n ≥ N, |u n - l| ≤ ε
 
def suc_convergente (u : ℕ → ℝ) :=
  ∃ l, limite u l
 
def suc_cauchy (u : ℕ → ℝ) :=
  ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ p ≥ N, ∀ q ≥ N, |u p - u q| ≤ ε
 
example
  (h : suc_convergente u)
  : suc_cauchy u :=
sorry
Soluciones con Lean
import data.real.basic
 
variable {u : ℕ → ℝ }
 
notation `|`x`|` := abs x
 
def limite (u : ℕ → ℝ) (l : ℝ) : Prop :=
  ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ n ≥ N, |u n - l| ≤ ε
 
def suc_convergente (u : ℕ → ℝ) :=
  ∃ l, limite u l
 
def suc_cauchy (u : ℕ → ℝ) :=
  ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ p ≥ N, ∀ q ≥ N, |u p - u q| ≤ ε
 
-- 1ª demostración
example
  (h : suc_convergente u)
  : suc_cauchy u :=
begin
  unfold suc_cauchy,
  intros ε hε,
  have hε2 : 0 < ε/2 := half_pos hε,
  cases h with l hl,
  cases hl (ε/2) hε2 with N hN,
  clear hε hl hε2,
  use N,
  intros p hp q hq,
  calc |u p - u q|
       = |(u p - l) + (l - u q)| : by ring_nf
   ... ≤ |u p - l|  + |l - u q|  : abs_add (u p - l) (l - u q)
   ... = |u p - l|  + |u q - l|  : congr_arg2 (+) rfl (abs_sub_comm l (u q))
   ... ≤ ε/2 + ε/2               : add_le_add (hN p hp) (hN q hq)
   ... = ε                       : add_halves ε,
end
 
-- 2ª demostración
example
  (h : suc_convergente u)
  : suc_cauchy u :=
begin
  intros ε hε,
  cases h with l hl,
  cases hl (ε/2) (half_pos hε) with N hN,
  clear hε hl,
  use N,
  intros p hp q hq,
  calc |u p - u q|
       = |(u p - l) + (l - u q)| : by ring_nf
   ... ≤ |u p - l|  + |l - u q|  : abs_add (u p - l) (l - u q)
   ... = |u p - l|  + |u q - l|  : congr_arg2 (+) rfl (abs_sub_comm l (u q))
   ... ≤ ε/2 + ε/2               : add_le_add (hN p hp) (hN q hq)
   ... = ε                       : add_halves ε,
end
 
-- 3ª demostración
example
  (h : suc_convergente u)
  : suc_cauchy u :=
begin
  intros ε hε,
  cases h with l hl,
  cases hl (ε/2) (half_pos hε) with N hN,
  clear hε hl,
  use N,
  intros p hp q hq,
  have cota1 : |u p - l| ≤ ε / 2 := hN p hp,
  have cota2 : |u q - l| ≤ ε / 2 := hN q hq,
  clear hN hp hq,
  calc |u p - u q|
       = |(u p - l) + (l - u q)| : by ring_nf
   ... ≤ |u p - l|  + |l - u q|  : abs_add (u p - l) (l - u q)
   ... = |u p - l|  + |u q - l|  : by rw abs_sub_comm l (u q)
   ... ≤ ε                       : by linarith,
end
 
-- 4ª demostración
example
  (h : suc_convergente u)
  : suc_cauchy u :=
begin
  intros ε hε,
  cases h with l hl,
  cases hl (ε/2) (half_pos hε) with N hN,
  clear hε hl,
  use N,
  intros p hp q hq,
  calc |u p - u q|
       = |(u p - l) + (l - u q)| : by ring_nf
   ... ≤ |u p - l|  + |l - u q|  : abs_add (u p - l) (l - u q)
   ... = |u p - l|  + |u q - l|  : by rw abs_sub_comm l (u q)
   ... ≤ ε                       : by linarith [hN p hp, hN q hq],
end
 
-- 5ª demostración
example
  (h : suc_convergente u)
  : suc_cauchy u :=
begin
  intros ε hε,
  cases h with l hl,
  cases hl (ε/2) (by linarith) with N hN,
  use N,
  intros p hp q hq,
  calc |u p - u q|
       = |(u p - l) + (l - u q)| : by ring_nf
   ... ≤ |u p - l|  + |l - u q|  : by simp [abs_add]
   ... = |u p - l|  + |u q - l|  : by simp [abs_sub_comm]
   ... ≤ ε                       : by linarith [hN p hp, hN q hq],
end

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>

Soluciones con Isabelle/HOL
theory Las_sucesiones_convergentes_son_sucesiones_de_Cauchy
imports Main HOL.Real
begin
 
definition limite :: "(nat ⇒ real) ⇒ real ⇒ bool"
  where "limite u c ⟷ (∀ε>0. ∃k::nat. ∀n≥k. ¦u n - c¦ < ε)"
 
definition suc_convergente :: "(nat ⇒ real) ⇒ bool"
  where "suc_convergente u ⟷ (∃ l. limite u l)"
 
definition suc_cauchy :: "(nat ⇒ real) ⇒ bool"
  where "suc_cauchy u ⟷ (∀ε>0. ∃k. ∀m≥k. ∀n≥k. ¦u m - u n¦ < ε)"
 
(* 1ª demostración *)
lemma
  assumes "suc_convergente u"
  shows   "suc_cauchy u"
proof (unfold suc_cauchy_def; intro allI impI)
  fix ε :: real
  assume "0 < ε"
  then have "0 < ε/2"
    by simp
  obtain a where "limite u a"
    using assms suc_convergente_def by blast
  then obtain k where hk : "∀n≥k. ¦u n - a¦ < ε/2"
    using ‹0 < ε / 2› limite_def by blast
  have "∀m≥k. ∀n≥k. ¦u m - u n¦ < ε"
  proof (intro allI impI)
    fix p q
    assume hp : "p ≥ k" and hq : "q ≥ k"
    then have hp' : "¦u p - a¦ < ε/2"
      using hk by blast
    have hq' : "¦u q - a¦ < ε/2"
      using hk hq by blast
    have "¦u p - u q¦ = ¦(u p - a) + (a - u q)¦"
      by simp
    also have "… ≤ ¦u p - a¦  + ¦a - u q¦"
      by simp
    also have "… = ¦u p - a¦  + ¦u q - a¦"
      by simp
    also have "… < ε/2 + ε/2"
      using hp' hq' by simp
    also have "… = ε"
      by simp
    finally show "¦u p - u q¦ < ε"
      by this
  qed
  then show "∃k. ∀m≥k. ∀n≥k. ¦u m - u n¦ < ε"
    by (rule exI)
qed
 
(* 2ª demostración *)
lemma
  assumes "suc_convergente u"
  shows   "suc_cauchy u"
proof (unfold suc_cauchy_def; intro allI impI)
  fix ε :: real
  assume "0 < ε"
  then have "0 < ε/2"
    by simp
  obtain a where "limite u a"
    using assms suc_convergente_def by blast
  then obtain k where hk : "∀n≥k. ¦u n - a¦ < ε/2"
    using ‹0 < ε / 2› limite_def by blast
  have "∀m≥k. ∀n≥k. ¦u m - u n¦ < ε"
  proof (intro allI impI)
    fix p q
    assume hp : "p ≥ k" and hq : "q ≥ k"
    then have hp' : "¦u p - a¦ < ε/2"
      using hk by blast
    have hq' : "¦u q - a¦ < ε/2"
      using hk hq by blast
    show "¦u p - u q¦ < ε"
      using hp' hq' by argo
  qed
  then show "∃k. ∀m≥k. ∀n≥k. ¦u m - u n¦ < ε"
    by (rule exI)
qed
 
(* 3ª demostración *)
lemma
  assumes "suc_convergente u"
  shows   "suc_cauchy u"
proof (unfold suc_cauchy_def; intro allI impI)
  fix ε :: real
  assume "0 < ε"
  then have "0 < ε/2"
    by simp
  obtain a where "limite u a"
    using assms suc_convergente_def by blast
  then obtain k where hk : "∀n≥k. ¦u n - a¦ < ε/2"
    using ‹0 < ε / 2› limite_def by blast
  have "∀m≥k. ∀n≥k. ¦u m - u n¦ < ε"
    using hk by (smt (z3) field_sum_of_halves)
  then show "∃k. ∀m≥k. ∀n≥k. ¦u m - u n¦ < ε"
    by (rule exI)
qed
 
(* 3ª demostración *)
lemma
  assumes "suc_convergente u"
  shows   "suc_cauchy u"
proof (unfold suc_cauchy_def; intro allI impI)
  fix ε :: real
  assume "0 < ε"
  then have "0 < ε/2"
    by simp
  obtain a where "limite u a"
    using assms suc_convergente_def by blast
  then obtain k where hk : "∀n≥k. ¦u n - a¦ < ε/2"
    using ‹0 < ε / 2› limite_def by blast
  then show "∃k. ∀m≥k. ∀n≥k. ¦u m - u n¦ < ε"
    by (smt (z3) field_sum_of_halves)
qed
 
end

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

Soluciones →