La semana en Calculemus (11 de mayo de 2024)

Esta semana he publicado en Calculemus las demostraciones con Lean4 de las siguientes propiedades:

A continuación se muestran las soluciones.

1. Producto de potencias de la misma base en monoides

En los monoides se define la potencia con exponentes naturales. En Lean la potencia x^n se se caracteriza por los siguientes lemas:

Demostrar con Lean4 que si \(M\) es un monoide, \(x ∈ M\) y \(m, n ∈ ℕ\), entonces
\[ x^{m + n} = x^m x^n \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

Por inducción en \(m\).

Base:
\begin{align}
x^{0 + n} &= x^n \\
&= 1 · x^n \\
&= x^0 · x^n &&\text{[por pow_zero]}
\end{align}

Paso: Supongamos que
\[ x^{m + n} = x^m x^n \tag{HI} \]
Entonces
\begin{align}
x^{(m+1) + n} &= x^{(m + n) + 1} \\
&= x · x^{m + n} &&\text{[por pow_succ]} \\
&= x · (x^m · x^n) &&\text{[por HI]} \\
&= (x · x^m) · x^n \\
&= x^{m+1} · x^n &&\text{[por pow_succ]}
\end{align}

2. Demostraciones con Lean4

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

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

2. Equivalencia de inversos iguales al neutro

Sea \(M\) un monoide y \(a, b ∈ M\) tales que \(ab = 1\). Demostrar con Lean4 que \(a = 1\) si y sólo si \(b = 1\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

Demostraremos las dos implicaciones.

(⟹) Supongamos que \(a = 1\). Entonces,
\begin{align}
b &= 1·b &&\text{[por neutro por la izquierda]} \\
&= a·b &&\text{[por supuesto]} \\
&= 1 &&\text{[por hipótesis]}
\end{align}

(⟸) Supongamos que \(b = 1\). Entonces,
\begin{align}
a &= a·1 &&\text{[por neutro por la derecha]} \\
&= a·b &&\text{[por supuesto]} \\
&= 1 &&\text{[por hipótesis]}
\end{align}

2. Demostraciones con Lean4

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

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

3. Unicidad de inversos en monoides

Demostrar con Lean4 que si \(M\) es un monoide conmutativo y \(x, y, z ∈ M\) tales que \(x·y = 1\) y \(x·z = 1\), entonces \(y = z\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

Por la siguiente cadena de igualdades
\begin{align}
y &= 1·y &&\text{[por neutro a la izquierda]} \\
&= (x·z)·y &&\text{[por hipótesis]} \\
&= (z·x)·y &&\text{[por la conmutativa]} \\
&= z·(x·y) &&\text{[por la asociativa]} \\
&= z·1 &&\text{[por hipótesis]} \\
&= z &&\text{[por neutro a la derecha]}
\end{align}

2. Demostraciones con Lean4

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

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

4. Caracterización de producto igual al primer factor

Un monoide cancelativo por la izquierda es un monoide \(M\) que cumple la propiedad cancelativa por la izquierda; es decir, para todo \(a, b ∈ M\)
\[ a·b = a·c ↔ b = c \]

En Lean4 la clase de los monoides cancelativos por la izquierda es LeftCancelMonoid y la propiedad cancelativa por la izquierda es

Demostrar con Lean4 que si \(M\) es un monoide cancelativo por la izquierda y \(a, b ∈ M\), entonces
\[ a·b = a ↔ b = 1 \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

Demostraremos las dos implicaciones.

(⟹) Supongamos que
\[ a·b = a \]
Por la propiedad del neutro por la derecha tenemos
\[ a·1 = a \]
Por tanto,
\[ a·b = a·1 \]
y, por la propiedad cancelativa,
\[ b = 1 \]

(⟸) Supongamos que \(b = 1\). Entonces,
\begin{align}
a·b &= a·1 \\
&= a &&\text{[por el neutro por la derecha]}
\end{align}

2. Demostraciones con Lean4

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

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

5. Unicidad del elemento neutro en los grupos

Demostrar con Lean4 que un grupo sólo posee un elemento neutro.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(e ∈ G\) tal que
\[ (∀ x)[x·e = x] \tag{1} \]
Entonces,
\begin{align}
e &= 1.e &&\text{[porque 1 es neutro]} \\
&= 1 &&\text{[por (1)]}
\end{align}

2. Demostraciones con Lean4

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

3. Demostraciones con Isabelle/HOL