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Etiqueta: L.refl

La suma de los n primeros impares es n^2

José A. Alonso-

En Lean, se puede definir el n-ésimo número primo por

   def impar (n : ℕ) := 2 * n + 1

Además, en la librería finset están definidas las funciones

   range :: ℕ → finset ℕ
   sum :: finset α → (α → β) → β

tales que

+ (range n) es el conjunto de los n primeros números naturales. Por ejemplo, el valor de (range 3) es {0, 1, 2}.
+ (sum A f) es la suma del conjunto obtenido aplicando la función f a los elementos del conjunto finito A. Por ejemplo, el valor de (sum (range 3) impar) es 9.

Demostrar que la suma de los n primeros números impares es n².

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import data.finset
import tactic.ring
open nat
 
variable (n : ℕ)
 
def impar (n : ℕ) := 2 * n + 1
 
example :
  finset.sum (finset.range n) impar = n ^ 2 :=
sorry

[expand title=»Soluciones con Lean»]

import data.finset
import tactic.ring
open nat
 
set_option pp.structure_projections false
 
variable (n : ℕ)
 
def impar (n : ℕ) := 2 * n + 1
 
-- 1ª demostración
example :
  finset.sum (finset.range n) impar = n ^ 2 :=
begin
  induction n with m HI,
  { calc finset.sum (finset.range 0) impar
          = 0
            : by simp
     ...  = 0 ^ 2
            : rfl, },
  { calc finset.sum (finset.range (succ m)) impar
         = finset.sum (finset.range m) impar + impar m
           : finset.sum_range_succ impar m
     ... = m ^ 2 + impar m
           : congr_arg2 (+) HI rfl
     ... = m ^ 2 + 2 * m + 1
           : rfl
     ... = (m + 1) ^ 2
           : by ring_nf
     ... = succ m ^ 2
           : rfl },
end
 
-- 2ª demostración
example :
  finset.sum (finset.range n) impar = n ^ 2 :=
begin
  induction n with d hd,
  { refl, },
  { rw finset.sum_range_succ,
    rw hd,
    change d ^ 2 + (2 * d + 1) = (d + 1) ^ 2,
    ring_nf, },
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 "La_suma_de_los_n_primeros_impares_es_n^2"
imports Main
begin
 
definition impar :: "nat ⇒ nat" where
  "impar n ≡ 2 * n + 1"
 
lemma "sum impar {i::nat. i < n} = n⇧2"
proof (induct n)
  show "sum impar {i. i < 0} = 0⇧2"
    by simp
next
  fix n
  assume HI : "sum impar {i. i < n} = n⇧2"
  have "{i. i < Suc n} = {i. i < n} ∪ {n}"
    by auto
  then have "sum impar {i. i < Suc n} =
             sum impar {i. i < n} + impar n"
    by simp
  also have "… = n⇧2 + (2 * n + 1)"
    using HI impar_def by simp
  also have "… = (n + 1)⇧2"
    by algebra
  also have "… = (Suc n)⇧2"
    by simp
  finally show "sum impar {i. i < Suc n} = (Suc n)⇧2" .
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 →

La composición por la izquierda con una inyectiva es una operación inyectiva

José A. Alonso-

Sean f₁ y f₂ funciones de X en Y y g una función de X en Y. Demostrar que si g es inyectiva y g ∘ f₁ = g ∘ f₂, entonces f₁ = f₂.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

import tactic
 
variables {X Y Z : Type*}
variables {f₁ f₂ : X → Y}
variable  {g : Y → Z}
 
example
  (hg : function.injective g)
  (hgf : g ∘ f₁ = g ∘ f₂)
  : f₁ = f₂ :=
sorry

[expand title=»Soluciones con Lean»]

import tactic
 
variables {X Y Z : Type*}
variables {f₁ f₂ : X → Y}
variable  {g : Y → Z}
 
-- 1ª demostración
example
  (hg : function.injective g)
  (hgf : g ∘ f₁ = g ∘ f₂)
  : f₁ = f₂ :=
begin
  funext,
  apply hg,
  calc g (f₁ x)
       = (g ∘ f₁) x : rfl
   ... = (g ∘ f₂) x : congr_fun hgf x
   ... = g (f₂ x)   : rfl,
end
 
-- 2ª demostración
example
  (hg : function.injective g)
  (hgf : g ∘ f₁ = g ∘ f₂)
  : f₁ = f₂ :=
begin
  funext,
  apply hg,
  exact congr_fun hgf x,
end
 
-- 3ª demostración
example
  (hg : function.injective g)
  (hgf : g ∘ f₁ = g ∘ f₂)
  : f₁ = f₂ :=
begin
  refine funext (λ i, hg _),
  exact congr_fun hgf i,
end
 
-- 4ª demostración
example
  (hg : function.injective g)
  : function.injective ((∘) g : (X → Y) → (X → Z)) :=
λ f₁ f₂ hgf, funext (λ i, hg (congr_fun hgf i : _))
 
-- 5ª demostración
example
  [hY : nonempty Y]
  (hg : injective g)
  (hgf : g ∘ f₁ = g ∘ f₂)
  : f₁ = f₂ :=
calc f₁ = id ∘ f₁              : (left_id f₁).symm
    ... = (inv_fun g ∘ g) ∘ f₁ : congr_arg2 (∘) (inv_fun_comp hg).symm rfl
    ... = inv_fun g ∘ (g ∘ f₁) : comp.assoc _ _ _
    ... = inv_fun g ∘ (g ∘ f₂) : congr_arg2 (∘) rfl hgf
    ... = (inv_fun g ∘ g) ∘ f₂ : comp.assoc _ _ _
    ... = id ∘ f₂              : congr_arg2 (∘) (inv_fun_comp hg) rfl
    ... = f₂                   : left_id f₂
 
-- 6ª demostración
example
  [hY : nonempty Y]
  (hg : injective g)
  (hgf : g ∘ f₁ = g ∘ f₂)
  : f₁ = f₂ :=
calc f₁ = id ∘ f₁              : by finish
    ... = (inv_fun g ∘ g) ∘ f₁ : by finish [inv_fun_comp]
    ... = inv_fun g ∘ (g ∘ f₁) : by refl
    ... = inv_fun g ∘ (g ∘ f₂) : by finish [hgf]
    ... = (inv_fun g ∘ g) ∘ f₂ : by refl
    ... = id ∘ f₂              : by finish [inv_fun_comp]
    ... = f₂                   : by finish

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 La_composicion_por_la_izquierda_con_una_inyectiva_es_inyectiva
imports Main
begin
 
(* 1ª demostración *)
lemma
  assumes "inj g"
          "g ∘ f1 = g ∘ f2"
  shows   "f1 = f2"
proof (rule ext)
  fix x
  have "(g ∘ f1) x = (g ∘ f2) x"
    using ‹g ∘ f1 = g ∘ f2› by (rule fun_cong)
  then have "g (f1 x) = g (f2 x)"
    by (simp only: o_apply)
  then show "f1 x = f2 x"
    using ‹inj g› by (simp only: injD)
qed
 
(* 2ª demostración *)
lemma
  assumes "inj g"
          "g ∘ f1 = g ∘ f2"
  shows   "f1 = f2"
proof
  fix x
  have "(g ∘ f1) x = (g ∘ f2) x"
    using ‹g ∘ f1 = g ∘ f2› by simp
  then have "g (f1 x) = g (f2 x)"
    by simp
  then show "f1 x = f2 x"
    using ‹inj g› by (simp only: injD)
qed
 
(* 3ª demostración *)
lemma
  assumes "inj g"
          "g ∘ f1 = g ∘ f2"
  shows   "f1 = f2"
using assms
by (metis fun.inj_map_strong inj_eq)
 
(* 4ª demostración *)
lemma
  assumes "inj g"
          "g ∘ f1 = g ∘ f2"
  shows   "f1 = f2"
proof -
  have "f1 = id ∘ f1"
    by (rule id_o [symmetric])
  also have "… = (inv g ∘ g) ∘ f1"
    by (simp add: assms(1))
  also have "… = inv g ∘ (g ∘ f1)"
    by (simp add: comp_assoc)
  also have "… = inv g ∘ (g ∘ f2)"
    using assms(2) by (rule arg_cong)
  also have "… = (inv g ∘ g) ∘ f2"
    by (simp add: comp_assoc)
  also have "… = id ∘ f2"
    by (simp add: assms(1))
  also have "… = f2"
    by (rule id_o)
  finally show "f1 = f2"
    by this
qed
 
(* 5ª demostración *)
lemma
  assumes "inj g"
          "g ∘ f1 = g ∘ f2"
  shows   "f1 = f2"
proof -
  have "f1 = (inv g ∘ g) ∘ f1"
    by (simp add: assms(1))
  also have "… = (inv g ∘ g) ∘ f2"
    using assms(2) by (simp add: comp_assoc)
  also have "… = f2"
    using assms(1) by simp
  finally show "f1 = f2" .
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 →