La semana en Calculemus (27 de abril de 2024)

Esta semana he publicado en Calculemus las demostraciones con Lean4 e Isabelle/HOL de las siguientes propiedades:

A continuación se muestran las soluciones.

1. Unión con la imagen

Demostrar con Lean4 que
\[ f[s ∪ f⁻¹[v]] ⊆ f[s] ∪ v \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(y ∈ f[s ∪ f⁻¹[v]]\). Entonces, existe un x tal que
\begin{align}
&x ∈ s ∪ f⁻¹[v] \tag{1} \\
&f(x) = y \tag{2}
\end{align}
De (1), se tiene que \(x ∈ s\) ó \(x ∈ f⁻¹[v]\). Vamos a demostrar en ambos casos que
\[ y ∈ f[s] ∪ v \]

Caso 1: Supongamos que \(x ∈ s\). Entonces,
\[ f(x) ∈ f[s] \]
y, por (2), se tiene que
\[ y ∈ f[s] \]
Por tanto,
\[ y ∈ f[s] ∪ v \]

Caso 2: Supongamos que \(x ∈ f⁻¹[v]\). Entonces,
\[ f(x) ∈ v \]
y, por (2), se tiene que
\[ y ∈ v \]
Por tanto,
\[ y ∈ f[s] ∪ v \]

1.2. Demostraciones con Lean4

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

1.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

2. Intersección con la imagen

Demostrar con Lean4 que
\[ f[s] ∩ v = f[s ∩ f⁻¹[v]] \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

2.1. Demostración en lenguaje natural

Tenemmos que demostrar que, para todo \(y\),
\[ y ∈ f[s] ∩ v ↔ y ∈ f[s ∩ f⁻¹[v]] \]
Lo haremos demostrando las dos implicaciones.

(⟹) Supongamos que \(y ∈ f[s] ∩ v\). Entonces,
\begin{align}
&y ∈ f[s] \tag{1} \\
&y ∈ v \tag{2}
\end{align}
Por (1), existe un \(x\) tal que
\begin{align}
&x ∈ s \tag{3} \\
&f(x) = y \tag{4}
\end{align}
De (2) y (4), se tiene que
\[ f(x) ∈ v \]
y, por tanto,
\[ x ∈ f⁻¹[v] \tag{5} \]
De (3) y (5), se tiene que
\[ x ∈ s ∩ f⁻¹[v] \]
Por tanto,
\[ f(x) ∈ f[s ∩ f⁻¹[v]] \]
y, por (4),
\[ y ∈ f[s ∩ f⁻¹[v]] \]

(⟸) Supongamos que \(y ∈ f[s ∩ f⁻¹[v]]\). Entonces, existe un \(x\) tal que
\begin{align}
&x ∈ s ∩ f⁻¹[v] \tag{6} \\
&f(x) = y \tag{7}
\end{align}
Por (6), se tiene que
\begin{align}
&x ∈ s \tag{8} \\
&x ∈ f⁻¹[v] \tag{9}
\end{align}
Por (8), se tiene que
\[ f(x) ∈ f[s] \]
y, por (7),
\[ y ∈ f[s] \tag{10} \]
Por (9),
\[ f(x) ∈ v \]
y, por (7),
\[ y ∈ v \tag{11} \]
Por (10) y (11),
\[ y ∈ f[s] ∩ v \]

2.2. Demostraciones con Lean4

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

2.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

3. Unión con la imagen inversa

Demostrar con Lean4 que
\[ s ∪ f⁻¹[v] ⊆ f⁻¹[f[s] ∪ v] \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

3.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(x ∈ s ∪ f⁻¹[v]\). Entonces, se pueden dar dos casos.

Caso 1: Supongamos que \(x ∈ s\). Entonces, se tiene
\begin{align}
&f(x) ∈ f[s] \\
&f(x) ∈ f[s] ∪ v \\
&x ∈ f⁻¹[f[s] ∪ v]
\end{align}

Caso 2: Supongamos que x ∈ f⁻¹[v]. Entonces, se tiene
\begin{align}
&f(x) ∈ v \\
&f(x) ∈ f[s] ∪ v \\
&x ∈ f⁻¹[f[s] ∪ v]
\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. Imagen de la unión general

Demostrar con Lean4 que
\[ f[⋃ᵢAᵢ] = ⋃ᵢf[Aᵢ] \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

4.1. Demostración en lenguaje natural

Tenemos que demostrar que, para todo \(y\),
\[ y ∈ f[⋃ᵢAᵢ] ↔ y ∈ ⋃ᵢf[Aᵢ] \]
Lo haremos demostrando las dos implicaciones.

(⟹) Supongamos que \(y ∈ f[⋃ᵢAᵢ]\). Entonces, existe un \(x\) tal que
\begin{align}
&x ∈ ⋃ᵢAᵢ \tag{1} \\
&f(x) = y \tag{2}
\end{align}
Por (1), existe un i tal que
\begin{align}
&i ∈ ℕ \tag{3} \\
&x ∈ Aᵢ \tag{4}
\end{align}
Por (4),
\[ f(x) ∈ f[Aᵢ] \]
Por (3),
\[ f(x) ∈ ⋃ᵢf[Aᵢ] \]
y, por (2),
\[ y ∈ ⋃ᵢf[Aᵢ] \]

(⟸) Supongamos que \(y ∈ ⋃ᵢf[Aᵢ]\). Entonces, existe un \(i\) tal que
\begin{align}
&i ∈ ℕ \tag{5} \\
&y ∈ f[Aᵢ] \tag{6}
\end{align}
Por (6), existe un \(x\) tal que
\begin{align}
&x ∈ Aᵢ \tag{7} \\
&f(x) = y \tag{8}
\end{align}
Por (5) y (7),
\[ x ∈ ⋃ᵢAᵢ \]
Luego,
\[ f(x) ∈ f[⋃ᵢAᵢ] \]
y, por (8),
\[ y ∈ f[⋃ᵢAᵢ] \]

4.2. Demostraciones con Lean4

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

4.3. Demostraciones con Isabelle/HOL

5. Imagen de la intersección general

Demostrar con Lean4 que
\[ f\left[\bigcap_{i ∈ I} A_i\right] ⊆ \bigcap_{i ∈ I} f[A_i] \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

5.1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(y\) tal que
\[ y ∈ f\left[\bigcap_{i ∈ I} Aᵢ\right] \tag{1} \]
Tenemos que demostrar que
\[ y ∈ \bigcap_{i ∈ I} f[Aᵢ] \]
Para ello, sea \(i ∈ I\), tenemos que demostrar que \(y ∈ f[Aᵢ]\).

Por (1), existe un \(x\) tal que
\begin{align}
&x ∈ \bigcap_{i ∈ I} Aᵢ \tag{2} \\
&f(x) = y \tag{3}
\end{align}
Por (2),
\[ x ∈ Aᵢ \]
y, por tanto,
\[ f(x) ∈ f[Aᵢ] \]
que, junto con (3), da que
\[ y ∈ f[Aᵢ] \]

5.2. Demostraciones con Lean4

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

5.3. Demostraciones con Isabelle/HOL