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Etiqueta: IH.rule

Pruebas de length (repeat x n) = n

José A. Alonso-

En Lean están definidas las funciones length y repeat tales que

  • (length xs) es la longitud de la lista xs. Por ejemplo,
     length [1,2,5,2] = 4
  • (repeat x n) es la lista que tiene el elemento x n veces. Por ejemplo,
     repeat 7 3 = [7, 7, 7]

Demostrar que

   length (repeat x n) = n

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import data.list.basic
open nat
open list
 
variable {α : Type}
variable (x : α)
variable (n : ℕ)
 
example :
  length (repeat x n) = n :=
sorry

[expand title=»Soluciones con Lean»]

import data.list.basic
open nat
open list
 
set_option pp.structure_projections false
 
variable {α : Type}
variable (x : α)
variable (n : ℕ)
 
-- 1ª demostración
example :
  length (repeat x n) = n :=
begin
  induction n with n HI,
  { calc length (repeat x 0)
          = length []                : congr_arg length (repeat.equations._eqn_1 x)
      ... = 0                        : length.equations._eqn_1 },
  { calc length (repeat x (succ n))
         = length (x :: repeat x n)  : congr_arg length (repeat.equations._eqn_2 x n)
     ... = length (repeat x n) + 1   : length.equations._eqn_2 x (repeat x n)
     ... = n + 1                     : congr_arg2 (+) HI rfl
     ... = succ n                    : rfl, },
end
 
-- 2ª demostración
example :
  length (repeat x n) = n :=
begin
  induction n with n HI,
  { calc length (repeat x 0)
          = length []                : rfl
      ... = 0                        : rfl },
  { calc length (repeat x (succ n))
         = length (x :: repeat x n)  : rfl
     ... = length (repeat x n) + 1   : rfl
     ... = n + 1                     : by rw HI
     ... = succ n                    : rfl, },
end
 
-- 3ª demostración
example : length (repeat x n) = n :=
begin
  induction n with n HI,
  { refl, },
  { dsimp,
    rw HI, },
end
 
-- 4ª demostración
example : length (repeat x n) = n :=
begin
  induction n with n HI,
  { simp, },
  { simp [HI], },
end
 
-- 5ª demostración
example : length (repeat x n) = n :=
by induction n ; simp [*]
 
-- 6ª demostración
example : length (repeat x n) = n :=
nat.rec_on n
  ( show length (repeat x 0) = 0, from
      calc length (repeat x 0)
           = length []                : rfl
       ... = 0                        : rfl )
  ( assume n,
    assume HI : length (repeat x n) = n,
    show length (repeat x (succ n)) = succ n, from
      calc length (repeat x (succ n))
           = length (x :: repeat x n) : rfl
       ... = length (repeat x n) + 1  : rfl
       ... = n + 1                    : by rw HI
       ... = succ n                   : rfl )
 
-- 7ª demostración
example : length (repeat x n) = n :=
nat.rec_on n
  ( by simp )
  ( λ n HI, by simp [HI])
 
-- 8ª demostración
example : length (repeat x n) = n :=
length_repeat x n
 
-- 9ª demostración
example : length (repeat x n) = n :=
by simp
 
-- 10ª demostración
lemma length_repeat_1 :
  ∀ n, length (repeat x n) = n
| 0 := by calc length (repeat x 0)
               = length ([] : list α)         : rfl
           ... = 0                            : rfl
| (n+1) := by calc length (repeat x (n + 1))
                   = length (x :: repeat x n) : rfl
               ... = length (repeat x n) + 1  : rfl
               ... = n + 1                    : by rw length_repeat_1
 
-- 11ª demostración
lemma length_repeat_2 :
  ∀ n, length (repeat x n) = n
| 0     := by simp
| (n+1) := by simp [*]

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>
[/expand]

[expand title=»Soluciones con Isabelle/HOL»]

theory "Pruebas_de_length_(repeat_x_n)_Ig_n"
imports Main
begin
 
(* 1ª demostración⁾*)
lemma "length (replicate n x) = n"
proof (induct n)
  have "length (replicate 0 x) = length ([] :: 'a list)"
    by (simp only: replicate.simps(1))
  also have "… = 0"
    by (rule list.size(3))
  finally show "length (replicate 0 x) = 0"
    by this
next
  fix n
  assume HI : "length (replicate n x) = n"
  have "length (replicate (Suc n) x) =
        length (x # replicate n x)"
    by (simp only: replicate.simps(2))
  also have "… = length (replicate n x) + 1"
    by (simp only: list.size(4))
  also have "… = Suc n"
    by (simp only: HI)
  finally show "length (replicate (Suc n) x) = Suc n"
    by this
qed
 
(* 2ª demostración⁾*)
lemma "length (replicate n x) = n"
proof (induct n)
  show "length (replicate 0 x) = 0"
    by simp
next
  fix n
  assume "length (replicate n x) = n"
  then show "length (replicate (Suc n) x) = Suc n"
    by simp
qed
 
(* 3ª demostración⁾*)
lemma "length (replicate n x) = n"
proof (induct n)
  case 0
  then show ?case by simp
next
  case (Suc n)
  then show ?case by simp
qed
 
(* 4ª demostración⁾*)
lemma "length (replicate n x) = n"
  by (rule length_replicate)
 
end

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

Soluciones →

Límite de sucesiones no decrecientes

José A. Alonso-

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

En Lean, se define que a es el límite de la sucesión u, por

   def limite (u: ℕ → ℝ) (a: ℝ) :=
     ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ n ≥ N, |u n - a| < ε
<pre lang="text">
donde se usa la notación |x| para el valor absoluto de x
<pre lang="text">
   notation `|`x`|` := abs x

y que la sucesión u es no decreciente por

   def no_decreciente (u : ℕ → ℝ) :=
     ∀ n m, n ≤ m → u n ≤ u m

Demostrar que si u es una sucesión no decreciente y su límite es a, entonces u(n) ≤ a para todo n.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import data.real.basic
import tactic
 
variable {u : ℕ → ℝ}
variable (a : ℝ)
 
notation `|`x`|` := abs x
 
def limite (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
  ∀ ε > 0, ∃ m, ∀ n ≥ m, |u n - a| < ε
 
def no_decreciente (u : ℕ → ℝ) :=
  ∀ n m, n ≤ m → u n ≤ u m
 
example
  (h : limite u a)
  (h' : no_decreciente u)
  : ∀ n, u n ≤ a :=
sorry

[expand title=»Soluciones con Lean»]

import data.real.basic
import tactic
 
variable {u : ℕ → ℝ}
variable (a : ℝ)
 
notation `|`x`|` := abs x
 
def limite (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
  ∀ ε > 0, ∃ m, ∀ n ≥ m, |u n - a| < ε
 
def no_decreciente (u : ℕ → ℝ) :=
  ∀ n m, n ≤ m → u n ≤ u m
 
-- 1ª demostración
example
  (h : limite u a)
  (h' : no_decreciente u)
  : ∀ n, u n ≤ a :=
begin
  intro n,
  by_contradiction H,
  push_neg at H,
  replace H : u n - a > 0 := sub_pos.mpr H,
  cases h (u n - a) H with m hm,
  let k := max n m,
  specialize hm k (le_max_right _ _),
  specialize h' n k (le_max_left _ _),
  replace hm : |u k - a| < u k - a, by
    calc |u k - a| < u n - a : hm
               ... ≤ u k - a : sub_le_sub_right h' a,
  rw ← not_le at hm,
  apply hm,
  exact le_abs_self (u k - a),
end
 
-- 2ª demostración
example
  (h : limite u a)
  (h' : no_decreciente u)
  : ∀ n, u n ≤ a :=
begin
  intro n,
  by_contradiction H,
  push_neg at H,
  cases h (u n - a) (by linarith) with m hm,
  specialize hm (max n m) (le_max_right _ _),
  specialize h' n (max n m) (le_max_left _ _),
  rw abs_lt at hm,
  linarith,
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>
[/expand]

[expand title=»Soluciones con Isabelle/HOL»]

theory Limite_de_sucesiones_no_decrecientes
imports Main HOL.Real
begin
 
definition limite :: "(nat ⇒ real) ⇒ real ⇒ bool"
  where "limite u a ⟷ (∀ε>0. ∃N. ∀k≥N. ¦u k - a¦ < ε)"
 
definition no_decreciente :: "(nat ⇒ real) ⇒ bool"
  where "no_decreciente u ⟷ (∀ n m. n ≤ m ⟶ u n ≤ u m)"
 
(* 1ª demostración *)
lemma
  assumes "limite u a"
          "no_decreciente u"
  shows   "∀ n. u n ≤ a"
proof (rule allI)
  fix n
  show "u n ≤ a"
  proof (rule ccontr)
    assume "¬ u n ≤ a"
    then have "a < u n"
      by (rule not_le_imp_less)
    then have H : "u n - a > 0"
      by (simp only: diff_gt_0_iff_gt)
    then obtain m where hm : "∀p≥m. ¦u p - a¦ < u n - a"
      using assms(1) limite_def by blast
    let ?k = "max n m"
    have "n ≤ ?k"
      by (simp only: assms(2) no_decreciente_def)
    then have "u n ≤ u ?k"
      using assms(2) no_decreciente_def by blast
    have "¦u ?k - a¦ < u n - a"
      by (simp only: hm)
    also have "… ≤ u ?k - a"
      using ‹u n ≤ u ?k› by (rule diff_right_mono)
    finally have "¦u ?k - a¦ < u ?k - a"
      by this
    then have "¬ u ?k - a ≤ ¦u ?k - a¦"
      by (simp only: not_le_imp_less)
    moreover have "u ?k - a ≤ ¦u ?k - a¦"
      by (rule abs_ge_self)
    ultimately show False
      by (rule notE)
  qed
qed
 
(* 2ª demostración *)
lemma
  assumes "limite u a"
          "no_decreciente u"
  shows   "∀ n. u n ≤ a"
proof (rule allI)
  fix n
  show "u n ≤ a"
  proof (rule ccontr)
    assume "¬ u n ≤ a"
    then have H : "u n - a > 0"
      by simp
    then obtain m where hm : "∀p≥m. ¦u p - a¦ < u n - a"
      using assms(1) limite_def by blast
    let ?k = "max n m"
    have "¦u ?k - a¦ < u n - a"
      using hm by simp
    moreover have "u n ≤ u ?k"
      using assms(2) no_decreciente_def by simp
    ultimately have "¦u ?k - a¦ < u ?k - a"
      by simp
    then show False
      by simp
  qed
qed
 
(* 3ª demostración *)
lemma
  assumes "limite u a"
          "no_decreciente u"
  shows   "∀ n. u n ≤ a"
proof
  fix n
  show "u n ≤ a"
  proof (rule ccontr)
    assume "¬ u n ≤ a"
    then obtain m where hm : "∀p≥m. ¦u p - a¦ < u n - a"
      using assms(1) limite_def by fastforce
    let ?k = "max n m"
    have "¦u ?k - a¦ < u n - a"
      using hm by simp
    moreover have "u n ≤ u ?k"
      using assms(2) no_decreciente_def by simp
    ultimately show False
      by simp
  qed
qed
 
end

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

Soluciones →

Las sucesiones divergentes positivas no tienen límites finitos

José A. Alonso-

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 que a es el límite de la sucesión u, por

   def limite (u: ℕ → ℝ) (a: ℝ) :=
     ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ n ≥ N, |u n - a| < ε

donde se usa la notación |x| para el valor absoluto de x

   notation `|`x`|` := abs x

La sucesión u diverge positivamente cuando, para cada número real A, se puede encontrar un número natural m tal que, para n > m , se tenga u(n) > A. En Lean se puede definir por

   def diverge_positivamente (u : ℕ → ℝ) :=
     ∀ A, ∃ m, ∀ n ≥ m, u n > A

Demostrar que si u diverge positivamente, entonces ningún número real es límite de u.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import data.real.basic
import tactic
 
variable  {u : ℕ → ℝ}
 
notation `|`x`|` := abs x
 
def limite (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
  ∀ ε > 0, ∃ m, ∀ n ≥ m, |u n - a| < ε
 
def diverge_positivamente (u : ℕ → ℝ) :=
  ∀ A, ∃ m, ∀ n ≥ m, u n > A
 
example
  (h : diverge_positivamente u)
  : ¬(∃ a, limite u a) :=
sorry

[expand title=»Soluciones con Lean»]

import data.real.basic
import tactic
 
variable  {u : ℕ → ℝ}
 
notation `|`x`|` := abs x
 
def limite (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
  ∀ ε > 0, ∃ m, ∀ n ≥ m, |u n - a| < ε
 
def diverge_positivamente (u : ℕ → ℝ) :=
  ∀ A, ∃ m, ∀ n ≥ m, u n > A
 
-- 1ª demostración
example
  (h : diverge_positivamente u)
  : ¬(∃ a, limite u a) :=
begin
  push_neg,
  intros a ha,
  cases ha 1 zero_lt_one with m1 hm1,
  cases h (a+1) with m2 hm2,
  let m := max m1 m2,
  specialize hm1 m (le_max_left _ _),
  specialize hm2 m (le_max_right _ _),
  replace hm1 : u m - a < 1 := lt_of_abs_lt hm1,
  replace hm2 : 1 < u m - a := lt_sub_iff_add_lt'.mpr hm2,
  apply lt_irrefl (u m),
  calc u m < a + 1 : sub_lt_iff_lt_add'.mp hm1
       ... < u m   : lt_sub_iff_add_lt'.mp hm2,
end
 
-- 2ª demostración
example
  (h : diverge_positivamente u)
  : ¬(∃ a, limite u a) :=
begin
  push_neg,
  intros a ha,
  cases ha 1 (by linarith) with m1 hm1,
  cases h (a+1) with m2 hm2,
  let m := max m1 m2,
  replace hm1 : |u m - a| < 1 := by finish,
  replace hm1 : u m - a < 1   := lt_of_abs_lt hm1,
  replace hm2 : u m > a + 1   := by finish,
  replace hm2 : 1 < u m - a   := lt_sub_iff_add_lt'.mpr hm2,
  apply lt_irrefl (u m),
  calc u m < a + 1 : by linarith
       ... < u m   : by linarith
end
 
-- 3ª demostración
example
  (h : diverge_positivamente u)
  : ¬(∃ a, limite u a) :=
begin
  push_neg,
  intros a ha,
  cases ha 1 (by linarith) with m1 hm1,
  cases h (a+1) with m2 hm2,
  let m := max m1 m2,
  specialize hm1 m (le_max_left _ _),
  specialize hm2 m (le_max_right _ _),
  rw abs_lt at hm1,
  linarith,
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>
[/expand]

[expand title=»Soluciones con Isabelle/HOL»]

theory Las_sucesiones_divergentes_positivas_no_tienen_limites_finitos
imports Main HOL.Real
begin
 
definition limite :: "(nat ⇒ real) ⇒ real ⇒ bool"
  where "limite u a ⟷ (∀ε>0. ∃N. ∀k≥N. ¦u k - a¦ < ε)"
 
definition diverge_positivamente :: "(nat ⇒ real) ⇒ bool"
  where "diverge_positivamente u ⟷ (∀A. ∃m. ∀n≥m. u n > A)"
 
(* 1ª demostración *)
lemma
  assumes "diverge_positivamente u"
  shows   "∄a. limite u a"
proof (rule notI)
  assume "∃a. limite u a"
  then obtain a where "limite u a" try
    by auto
  then obtain m1 where hm1 : "∀n≥m1. ¦u n - a¦ < 1"
    using limite_def by fastforce
  obtain m2 where hm2 : "∀n≥m2. u n > a + 1"
    using assms diverge_positivamente_def by blast
  let ?m = "max m1 m2"
  have "u ?m < u ?m" using hm1 hm2
  proof -
    have "?m ≥ m1"
      by (rule max.cobounded1)
    have "?m ≥ m2"
      by (rule max.cobounded2)
    have "u ?m - a < 1"
      using hm1 ‹?m ≥ m1› by fastforce
    moreover have "u ?m > a + 1"
      using hm2 ‹?m ≥ m2› by simp
    ultimately show "u ?m < u ?m"
      by simp
  qed
  then show False
    by auto
qed
 
(* 2ª demostración *)
lemma
  assumes "diverge_positivamente u"
  shows   "∄a. limite u a"
proof (rule notI)
  assume "∃a. limite u a"
  then obtain a where "limite u a" try
    by auto
  then obtain m1 where hm1 : "∀n≥m1. ¦u n - a¦ < 1"
    using limite_def by fastforce
  obtain m2 where hm2 : "∀n≥m2. u n > a + 1"
    using assms diverge_positivamente_def by blast
  let ?m = "max m1 m2"
  have "1 < 1"
  proof -
    have "1 < u ?m - a"
      using hm2
      by (metis add.commute less_diff_eq max.cobounded2)
    also have "… < 1"
      using hm1
      by (metis abs_less_iff max_def order_refl)
    finally show "1 < 1" .
  qed
  then show False
    by auto
qed
 
end

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

Soluciones →

El punto de acumulación de las sucesiones convergente es su límite

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

que a es un límite de u por

   def limite (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
     ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ k ≥ N, |u k - a| < ε

que u es convergente por

   def convergente (u : ℕ → ℝ) :=
     ∃ a, limite u a

que a es un punto de acumulación de u por

   def punto_acumulacion (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
     ∃ φ, extraccion φ ∧ limite (u ∘ φ) a

Demostrar que si u es una sucesión convergente y a es un punto de acumulación de u, entonces a es un límite de u.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import data.real.basic
open nat
 
variable  {u : ℕ → ℝ}
variables {a : ℝ}
 
def extraccion (φ : ℕ → ℕ) :=
  ∀ n m, n < m → φ n < φ m
 
notation `|`x`|` := abs x
 
def limite (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
  ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ k ≥ N, |u k - a| < ε
 
def convergente (u : ℕ → ℝ) :=
  ∃ a, limite u a
 
def punto_acumulacion (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
  ∃ φ, extraccion φ ∧ limite (u ∘ φ) a
 
example
  (hu : convergente u)
  (ha : punto_acumulacion u a)
  : limite u a :=
sorry

[expand title=»Soluciones con Lean»]

import data.real.basic
open nat
 
variable  {u : ℕ → ℝ}
variables {a : ℝ}
 
def extraccion (φ : ℕ → ℕ) :=
  ∀ n m, n < m → φ n < φ m
 
notation `|`x`|` := abs x
 
def limite (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
  ∀ ε > 0, ∃ N, ∀ k ≥ N, |u k - a| < ε
 
def convergente (u : ℕ → ℝ) :=
  ∃ a, limite u a
 
def punto_acumulacion (u : ℕ → ℝ) (a : ℝ) :=
  ∃ φ, extraccion φ ∧ limite (u ∘ φ) a
 
-- Lemas auxiliares
-- ================
 
lemma unicidad_limite_aux
  {a b: ℝ}
  (ha : limite u a)
  (hb : limite u b)
  : b ≤ a :=
begin
  by_contra h,
  set ε := b - a with hε,
  cases ha (ε/2) (by linarith) with A hA,
  cases hb (ε/2) (by linarith) with B hB,
  set N := max A B with hN,
  have hAN : A ≤ N := le_max_left A B,
  have hBN : B ≤ N := le_max_right A B,
  specialize hA N hAN,
  specialize hB N hBN,
  rw abs_lt at hA hB,
  linarith,
end
 
lemma unicidad_limite
  {a b: ℝ}
  (ha : limite u a)
  (hb : limite u b)
  : a = b :=
le_antisymm (unicidad_limite_aux hb ha)
            (unicidad_limite_aux ha hb)
 
lemma limite_subsucesion_aux
  {φ : ℕ → ℕ}
  (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
 
lemma limite_subsucesion
  {φ : ℕ → ℕ}
  {a : ℝ}
  (h : limite u a)
  (hφ : extraccion φ)
  : limite (u ∘ φ) a :=
begin
  intros ε hε,
  cases h ε hε with N hN,
  use N,
  intros k hk,
  calc |(u ∘ φ) k - a|
       = |u (φ k) - a| : rfl
   ... < ε             : hN (φ k) _,
  calc φ k
       ≥ k : limite_subsucesion_aux hφ k
   ... ≥ N : hk,
end
 
-- 1ª demostración
example
  (hu : convergente u)
  (ha : punto_acumulacion u a)
  : limite u a :=
begin
  unfold convergente at hu,
  cases hu with b hb,
  convert hb,
  unfold punto_acumulacion at ha,
  rcases ha with ⟨φ, hφ₁, hφ₂⟩,
  have hφ₃ : limite (u ∘ φ) b,
    from limite_subsucesion hb hφ₁,
  exact unicidad_limite hφ₂ hφ₃,
end
 
-- 1ª demostración
example
  (hu : convergente u)
  (ha : punto_acumulacion u a)
  : limite u a :=
begin
  cases hu with b hb,
  convert hb,
  rcases ha with ⟨φ, hφ₁, hφ₂⟩,
  apply unicidad_limite hφ₂ _,
  exact limite_subsucesion hb hφ₁,
end
 
-- 2ª demostración
example
  (hu : convergente u)
  (ha : punto_acumulacion u a)
  : limite u a :=
begin
  cases hu with b hb,
  convert hb,
  rcases ha with ⟨φ, hφ₁, hφ₂⟩,
  exact unicidad_limite hφ₂ (limite_subsucesion hb hφ₁),
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>
[/expand]

[expand title=»Soluciones con Isabelle/HOL»]

theory El_punto_de_acumulacion_de_las_sucesiones_convergente_es_su_limite
imports Main HOL.Real
begin
 
definition extraccion :: "(nat ⇒ nat) ⇒ bool" where
  "extraccion φ ⟷ (∀ n m. n < m ⟶ φ n < φ m)"
 
definition subsucesion :: "(nat ⇒ real) ⇒ (nat ⇒ real) ⇒ bool"
  where "subsucesion v u ⟷ (∃ φ. extraccion φ ∧ v = u ∘ φ)"
 
definition limite :: "(nat ⇒ real) ⇒ real ⇒ bool" where
  "limite u c ⟷ (∀ε>0. ∃k. ∀n≥k. ¦u n - c¦ < ε)"
 
definition convergente :: "(nat ⇒ real) ⇒ bool" where
  "convergente u ⟷ (∃ a. limite u a)"
 
definition punto_acumulacion :: "(nat ⇒ real) ⇒ real ⇒ bool"
  where "punto_acumulacion u a ⟷ (∃φ. extraccion φ ∧ limite (u ∘ φ) a)"
 
(* Lemas auxiliares *)
 
lemma unicidad_limite_aux :
  assumes "limite u a"
          "limite u b"
  shows   "b ≤ a"
proof (rule ccontr)
  assume "¬ b ≤ a"
  let ?ε = "b - a"
  have "0 < ?ε/2"
    using ‹¬ b ≤ a› by auto
  obtain A where hA : "∀n≥A. ¦u n - a¦ < ?ε/2"
    using assms(1) limite_def ‹0 < ?ε/2› by blast
  obtain B where hB : "∀n≥B. ¦u n - b¦ < ?ε/2"
    using assms(2) limite_def ‹0 < ?ε/2› by blast
  let ?C = "max A B"
  have hCa : "∀n≥?C. ¦u n - a¦ < ?ε/2"
    using hA by simp
  have hCb : "∀n≥?C. ¦u n - b¦ < ?ε/2"
    using hB by simp
  have "∀n≥?C. ¦a - b¦ < ?ε"
  proof (intro allI impI)
    fix n assume "n ≥ ?C"
    have "¦a - b¦ = ¦(a - u n) + (u n - b)¦" by simp
    also have "… ≤ ¦u n - a¦ + ¦u n - b¦" by simp
    finally show "¦a - b¦ < b - a"
      using hCa hCb ‹n ≥ ?C› by fastforce
  qed
  then show False by fastforce
qed
 
lemma unicidad_limite :
  assumes "limite u a"
          "limite u b"
  shows   "a = b"
proof (rule antisym)
  show "a ≤ b" using assms(2) assms(1)
    by (rule unicidad_limite_aux)
next
  show "b ≤ a" using assms(1) assms(2)
    by (rule unicidad_limite_aux)
qed
 
lemma limite_subsucesion_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"
  then show "Suc n ≤ φ (Suc n)"
    using assms extraccion_def
    by (metis Suc_leI lessI order_le_less_subst1)
qed
 
lemma limite_subsucesion :
  assumes "subsucesion v u"
          "limite u a"
  shows   "limite v a"
proof (unfold limite_def; intro allI impI)
  fix ε :: real
  assume "ε > 0"
  then obtain N where hN : "∀k≥N. ¦u k - a¦ < ε"
    using assms(2) limite_def by auto
  obtain φ where hφ1 : "extraccion φ" and hφ2 : "v = u ∘ φ"
    using assms(1) subsucesion_def by auto
  have "∀k≥N. ¦v k - a¦ < ε"
  proof (intro allI impI)
    fix k
    assume "N ≤ k"
    also have "... ≤ φ k"
      by (simp add: limite_subsucesion_aux hφ1)
    finally have "N ≤ φ k" .
    have "¦v k - a¦ = ¦u (φ k) - a¦"
      using hφ2 by simp
    also have "… < ε"
      using hN ‹N ≤ φ k› by simp
    finally show "¦v k - a¦ < ε" .
  qed
  then show "∃N. ∀k≥N. ¦v k - a¦ < ε"
    by auto
qed
 
(* Demostración *)
lemma
  assumes "convergente u"
          "punto_acumulacion u a"
  shows   "limite u a"
proof -
  obtain b where hb : "limite u b"
    using assms(1) convergente_def by auto
  obtain φ where hφ1 : "extraccion φ" and
                 hφ2 : "limite (u ∘ φ) a"
    using assms(2) punto_acumulacion_def  by auto
  have "limite (u ∘ φ) b"
    using hφ1 hb limite_subsucesion subsucesion_def by blast
  with hφ2 have "a = b"
    by (rule unicidad_limite)
  then show "limite u a"
    using hb by simp
qed
 
end

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

Soluciones →

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

[expand title=»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>
[/expand]

[expand title=»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>
[/expand]

Soluciones →