La semana en Calculemus (24 de febrero de 2024)

Estas 3 últimas semanas he publicado en Calculemus las demostraciones con Lean4 de las siguientes propiedades:

A continuación se muestran las soluciones.

1. Si la sucesión u converge a a y la v a b, entonces u+v converge a a+b

Demostrar con Lean4 que si la sucesión \(u\) converge a \(a\) y la \(v\) a \(b\), entonces \(u+v\) converge a \(a+b\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1.1. Demostración en lenguaje natural

En la demostración usaremos los siguientes lemas
\begin{align}
&(∀ a ∈ ℝ)\left[a > 0 → \frac{a}{2} > 0\right] \tag{L1} \\
&(∀ a, b, c ∈ ℝ)[\max(a, b) ≤ c → a ≤ c] \tag{L2} \\
&(∀ a, b, c ∈ ℝ)[\max(a, b) ≤ c → b ≤ c] \tag{L3} \\
&(∀ a, b ∈ ℝ)[|a + b| ≤ |a| + |b|] \tag{L4} \\
&(∀ a ∈ ℝ)\left[\frac{a}{2} + \frac{a}{2} = a\right] \tag{L5}
\end{align}

Tenemos que probar que para todo \(ε ∈ ℝ\), si
\[ ε > 0 \tag{1} \]
entonces
\[ (∃N ∈ ℕ)(∀n ∈ ℕ)[n ≥ N → |(u + v)(n) – (a + b)| < ε] \tag{2} \]

Por (1) y el lema L1, se tiene que
\[ \frac{ε}{2} > 0 \tag{3} \]
Por (3) y porque el límite de \(u\) es \(a\), se tiene que
\[ (∃N ∈ ℕ)(∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ N → |u(n) – a| < \frac{ε}{2}\right] \]
Sea \(N₁ ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ N₁ → |u(n) – a| < \frac{ε}{2}\right] \tag{4} \]
Por (3) y porque el límite de \(v\) es \(b\), se tiene que
\[ (∃N ∈ ℕ)(∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ N → |v(n) – b| < \frac{ε}{2}\right] \]
Sea \(N₂ ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ N₂ → |v(n) – b| < \frac{ε}{2}\right] \tag{5} \]
Sea \(N = \max(N₁, N₂)\). Veamos que verifica la condición (1). Para ello, sea \(n ∈ ℕ\) tal que \(n ≥ N\). Entonces, \(n ≥ N₁\) (por L2) y \(n ≥ N₂\) (por L3). Por tanto, usando las propiedades (4) y (5) se tiene que
\begin{align}
|u(n) – a| &< \frac{ε}{2} \tag{6} \\
|v(n) – b| &< \frac{ε}{2} \tag{7}
\end{align}
Finalmente,
\begin{align}
|(u + v)(n) – (a + b)| &= |(u(n) + v(n)) – (a + b)| \\
&= |(u(n) – a) + (v(n) – b)| \\
&≤ |u(n) – a| + |v(n) – b| &&\text{[por L4]}\\
&< \frac{ε}{2} + \frac{ε}{2} &&\text{[por (6) y (7)]}\\
&= ε &&\text{[por L5]}
\end{align}

1.2. Demostraciones con Lean4

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

1.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

2. Unicidad del límite de las sucesiones convergentes

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

Demostrar con Lean4 que cada sucesión tiene como máximo un límite.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

2.1. Demostración en lenguaje natural

Tenemos que demostrar que si \(u\) es una sucesión y \(a\) y \(b\) son límites de \(u\), entonces \(a = b\). Para ello, basta demostrar que \(a ≤ b\) y \(b ≤ a\).

Demostraremos que \(b ≤ a\) por reducción al absurdo. Supongamos que \(b ≰ a\). Sea \(ε = b – a\). Entonces, ε/2 > 0 y, puesto que \(a\) es un límite de \(u\), existe un \(A ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ A → |u(n) – a| < \frac{ε}{2}\right] \tag{1} \]
y, puesto que \(b\) también es un límite de \(u\), existe un \(B ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ B → |u(n) – b| < \frac{ε}{2}\right] \tag{2} \]
Sea \(N = máx(A, B)\). Entonces, \(N ≥ A\) y \(N ≥ B\) y, por (2) y (3), se tiene
\begin{align}
|u(N) – a| &< \frac{ε}{2} \tag{3} \\
|u(N) – b| &< \frac{ε}{2} \tag{4}
\end{align}
Para obtener una contradicción basta probar que \(ε < ε\). Su prueba es
\begin{align}
ε &= b – a \\
&= |b – a| \\
&= |(b – a) + (u(N) – u(N))| \\
&= |(u(N) – a) + (b – u(N))| \\
&≤ |u(N) – a| + |b – u(N)| \\
&= |u(N) – a| + |u(N) – b| \\
&< \frac{ε}{2} + \frac{ε}{2} && \text{[por (3) y (4)]} \\
&= ε
\end{align}

La demostración de \(a ≤ b\) es análoga a la anterior.

2.2. Demostraciones con Lean4

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

2.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

3. Si el límite de la sucesión uₙ es a y c ∈ ℝ, entonces el límite de uₙ+c es a+c

Demostrar con Lean4 que si el límite de la sucesión \(uₙ\) es \(a\) y \(c ∈ ℝ\), entonces el límite de \(uₙ+c\) es \(a+c\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

3.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(ε ∈ ℝ\) tal que \(ε > 0\). Tenemos que demostrar que
\[ (∃ N)(∀ n ≥ N)[|(u(n) + c) – (a + c)| < ε] \tag{1} \]
Puesto que el límite de la sucesión \(u\) es \(a\), existe un \(k\) tal que
\[ (∀ n ≥ k)[|u(n) – a| < ε] \tag{2} \]
Veamos que con k se verifica (1); es decir, que
\[ (∀ n ≥ k)[|(u(n) + c) – (a + c)| < ε] \]
Sea \(n ≥ k\). Entonces, por (2),
\[ |u(n) – a| < ε \tag{3} \]
y, por consiguiente,
\begin{align}
|(u(n) + c) – (a + c)| &= |u(n) – a| \\
&< ε &&\text{[por (3)]}
\end{align}

3.2. Demostraciones con Lean4

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

3.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

4. Si el límite de la sucesión uₙ es a y c ∈ ℝ, entonces el límite de cuₙ es ca

Demostrar con Lean4 que si el límite de la sucesión \(uₙ\) es \(a\) y \(c ∈ ℝ\), entonces el límite de \(cuₙ\) es \(ca\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

4.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(ε ∈ ℝ\) tal que \(ε > 0\). Tenemos que demostrar que
\[ (∃ N ∈ ℕ)(∀ n ≥ N)[|cuₙ – ca| < ε] \tag{1}\]
Distinguiremos dos casos según sea \(c = 0\) o no.

Primer caso: Supongamos que \(c = 0\). Entonces, (1) se reduce a
\[ (∃ N ∈ ℕ)(∀ n ≥ N)[|0·uₙ – 0·a| < ε] \]
es decir,
\[ (∃ N ∈ ℕ)(∀ n ≥ N)[0 < ε] \]
que se verifica para cualquier número \(N\), ya que \(ε > 0\).

Segundo caso: Supongamos que \(c ≠ 0\). Entonces, \(\dfrac{ε}{|c|}\) > 0 y, puesto que el límite de \(uₙ\) es \(a\), existe un \(k ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀ n ≥ k)[|uₙ – a| < \frac{ε}{|c|}] \tag{2} \]
Veamos que con \(k\) se cumple (1). En efecto, sea \(n ≥ k\). Entonces,
\begin{align}
|cuₙ – ca| &= |c(uₙ – a)| \\
&= |c||uₙ – a| \\
&< |c|\frac{ε}{|c|} &&\text{[por (2)]} \\
&= ε
\end{align}

4.2. Demostraciones con Lean4

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

4.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

5. El límite de uₙ es a syss el de uₙ-a es 0

Demostrar con Lean4 que el límite de \(uₙ\) es \(a\) si, y sólo si, el de \(uₙ-a\) es \(0\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

5.1. Demostración en lenguaje natural

Se prueba por la siguiente cadena de equivalencias
\begin{align}
&\text{el límite de \(uₙ\) es \(a\)} \\
&↔ (∀ε>0)(∃N)(∀n≥N)[|u(n) – a| < ε] \\
&↔ (∀ε>0)(∃N)(∀n≥N)[|(u(n) – a) – 0| < ε] \\
&↔ \text{el límite de \(uₙ-a\) es \(0\)}
\end{align}

5.2. Demostraciones con Lean4

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

5.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

6. Si uₙ y vₙ convergen a 0, entonces uₙvₙ converge a 0

Demostrar con Lean4 que si \(uₙ\) y \(vₙ\) convergen a \(0\), entonces \(uₙvₙ\) converge a \(0).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

6.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(ε ∈ ℝ\) tal que \(ε > 0\). Tenemos que demostrar que
\[ (∃N ∈ ℕ)(∀n ≥ N)[|(u·v)(n) – 0| < ε] \tag{1} \]
Puesto que el límite de \(uₙ\) es \(0\), existe un \(U ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ≥ U)[|u(n) – 0| < ε] \tag{2} \]
y, puesto que el límite de \(vₙ\) es \(0\), existe un \(V ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ≥ V)[|v(n) – 0| < 1] \tag{3} \]
Entonces, \(N = \text{máx}(U, V)\) cumple (1). En efecto, sea \(n ≥ N\). Entonces,
\(n ≥ U\) y \(n ≥ V\) y, aplicando (2) y (3), se tiene
\begin{align}
&|u(n) – 0| < ε \tag{4} \\
&|v(n) – 0| < 1 \tag{5}
\end{align}
Por tanto,
\begin{align}
|(u·v)(n) – 0| &= |u(n)·v(n)| \\
&= |u(n)|·|v n| \\
&< ε·1 &&\text{[por (4) y (5)]} \\
&= ε
\end{align}

6.2. Demostraciones con Lean4

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

6.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

7. Teorema del emparedado

Demostrar con Lean4 el teorema del emparedado.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

7.1. Demostración en lenguaje natural

Tenemos que demostrar que para cada \(ε > 0\), existe un \(N ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀ n ≥ N)[|v(n) – a| ≤ ε] \tag{1} \]

Puesto que el límite de \(u\) es \(a\), existe un \(U ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀ n ≥ U)[|u(n) – a| ≤ ε] \tag{2} \]
y, puesto que el límite de \(w\) es \(a\), existe un \(W ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀ n ≥ W)[|w(n) – a| ≤ ε] \tag{3} \]
Sea \(N = \text{máx}(U, W)\). Veamos que se verifica (1). Para ello, sea \(n ≥ N\). Entonces, \(n ≥ U\), \(n ≥ W\) y, por (2) y (3), se tiene que
\begin{align}
|u(n) – a| &≤ ε \tag{4} \\
|w(n) – a| &≤ ε \tag{5}
\end{align}
Para demostrar que
\[ |v(n) – a| ≤ ε \]
basta demostrar las siguientes desigualdades
\begin{align}
&-ε ≤ v(n) – a \tag{6} \\
&v(n) – a ≤ ε \tag{7}
\end{align}
La demostración de (6) es
\begin{align}
-ε &≤ u(n) – a &&\text{[por (4)]} \\
&≤ v(n) – a &&\text{[por hipótesis]}
\end{align}
La demostración de (7) es
\begin{align}
v(n) – a &≤ w(n) – a &&\text{[por hipótesis]} \\
&≤ ε &&\text{[por (5)]}
\end{align}

7.2. Demostraciones con Lean4

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

7.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

8. Si s ⊆ t, entonces s ∩ u ⊆ t ∩ u

Demostrar con Lean4 que “Si \(s ⊆ t\), entonces \(s ∩ u ⊆ t ∩ u\)”.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

8.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(x ∈ s ∩ u\). Entonces, se tiene que
\begin{align}
&x ∈ s \tag{1} \\
&x ∈ u \tag{2}
\end{align}
De (1) y \(s ⊆ t\), se tiene que
\[ x ∈ t \tag{3} \]
De (3) y (2) se tiene que
\[ x ∈ t ∩ u \]
que es lo que teníamos que demostrar.

8.2. Demostraciones con Lean4

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

8.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

9. s ∩ (t ∪ u) ⊆ (s ∩ t) ∪ (s ∩ u)

Demostrar con Lean4 que \(s ∩ (t ∪ u) ⊆ (s ∩ t) ∪ (s ∩ u)\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

9.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(x ∈ s ∩ (t ∪ u)\). Entonces se tiene que
\begin{align}
&x ∈ s \tag{1} \\
&x ∈ t ∪ u \tag{2}
\end{align}
La relación (2) da lugar a dos casos.

Caso 1: Supongamos que \(x ∈ t\). Entonces, por (1), \(x ∈ s ∩ t\) y, por tanto, \(x ∈ (s ∩ t) ∪ (s ∩ u)\).

Caso 2: Supongamos que \(x ∈ u\). Entonces, por (1), \(x ∈ s ∩ u\) y, por tanto, \(x ∈ (s ∩ t) ∪ (s ∩ u)\).

9.2. Demostraciones con Lean4

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

9.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

10. (s \ t) \ u ⊆ s \ (t ∪ u)

Demostrar con Lean4 que
\[ (s \setminus t) \setminus u ⊆ s \setminus (t ∪ u) \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

10.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(x ∈ (s \setminus t) \setminus u\). Entonces, se tiene que
\begin{align}
&x ∈ s \tag{1} \\
&x ∉ t \tag{2} \\
&x ∉ u \tag{3}
\end{align}
Tenemos que demostrar que
\[ x ∈ s \setminus (t ∪ u) \]
pero, por (1), se reduce a
\[ x ∉ t ∪ u \]
que se verifica por (2) y (3).

10.2. Demostraciones con Lean4

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

10.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

11. (s ∩ t) ∪ (s ∩ u) ⊆ s ∩ (t ∪ u)

Demostrar con Lean4 que
\[ (s ∩ t) ∪ (s ∩ u) ⊆ s ∩ (t ∪ u) \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

11.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(x ∈ (s ∩ t) ∪ (s ∩ u)\). Entonces son posibles dos casos.

1º caso: Supongamos que \(x ∈ s ∩ t\). Entonces, \(x ∈ s\) y \(x ∈ t\) (y, por tanto, \(x ∈ t ∪ u\)). Luego, \(x ∈ s ∩ (t ∪ u)\).

2º caso: Supongamos que \(x ∈ s ∩ u\). Entonces, \(x ∈ s\) y \(x ∈ u\) (y, por tanto, \(x ∈ t ∪ u\)). Luego, \(x ∈ s ∩ (t ∪ u)\).

11.2. Demostraciones con Lean4

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

11.3. Demostraciones con Isabelle/HOL