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Etiqueta: L.add_lt_add

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>

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