products/sources/formale sprachen/Coq/theories/Numbers/NatInt image not shown  

Quellcode-Bibliothek

© Kompilation durch diese Firma

[Weder Korrektheit noch Funktionsfähigkeit der Software werden zugesichert.]

Datei: NZDiv.v   Sprache: Coq

Original von: Coq©

(************************************************************************)
(*         *   The Coq Proof Assistant / The Coq Development Team       *)
(*  v      *   INRIA, CNRS and contributors - Copyright 1999-2018       *)
(* <O___,, *       (see CREDITS file for the list of authors)           *)
(*   \VV/  **************************************************************)
(*    //   *    This file is distributed under the terms of the         *)
(*         *     GNU Lesser General Public License Version 2.1          *)
(*         *     (see LICENSE file for the text of the license)         *)
(************************************************************************)

(** Euclidean Division *)

Require Import NZAxioms NZMulOrder.

(** The first signatures will be common to all divisions over NZ, N and Z *)

Module Type DivMod (Import A : Typ).
 Parameters Inline div modulo : t -> t -> t.
End DivMod.

Module Type DivModNotation (A : Typ)(Import B : DivMod A).
 Infix "/" := div.
 Infix "mod" := modulo (at level 40, no associativity).
End DivModNotation.

Module Type DivMod' (A : Typ) := DivMod A <+ DivModNotation A.

Module Type NZDivSpec (Import A : NZOrdAxiomsSig')(Import B : DivMod' A).
 Declare Instance div_wd : Proper (eq==>eq==>eq) div.
 Declare Instance mod_wd : Proper (eq==>eq==>eq) modulo.
 Axiom div_mod : forall a b, b ~= 0 -> a == b*(a/b) + (a mod b).
 Axiom mod_bound_pos : forall a b, 0<=a -> 0<b -> 0 <= a mod b < b.
End NZDivSpec.

(** The different divisions will only differ in the conditions
    they impose on [modulo]. For NZ, we have only described the
    behavior on positive numbers.
*)


Module Type NZDiv (A : NZOrdAxiomsSig) := DivMod A <+ NZDivSpec A.
Module Type NZDiv' (A : NZOrdAxiomsSig) := NZDiv A <+ DivModNotation A.

Module Type NZDivProp
 (Import A : NZOrdAxiomsSig')
 (Import B : NZDiv' A)
 (Import C : NZMulOrderProp A).

(** Uniqueness theorems *)

Theorem div_mod_unique :
 forall b q1 q2 r1 r2, 0<=r1<b -> 0<=r2<b ->
  b*q1+r1 == b*q2+r2 -> q1 == q2 /\ r1 == r2.
Proof.
intros b.
assert (U : forall q1 q2 r1 r2,
            b*q1+r1 == b*q2+r2 -> 0<=r1<b -> 0<=r2 -> q1<q2 -> False).
intros q1 q2 r1 r2 EQ LT Hr1 Hr2.
  contradict EQ.
  apply lt_neq.
  apply lt_le_trans with (b*q1+b).
  + rewrite <- add_lt_mono_l. tauto.
  + apply le_trans with (b*q2).
    * rewrite mul_comm, <- mul_succ_l, mul_comm.
      apply mul_le_mono_nonneg_l; intuitiontry order.
      rewrite le_succ_l; auto.
    * rewrite <- (add_0_r (b*q2)) at 1.
      rewrite <- add_le_mono_l. tauto.

intros q1 q2 r1 r2 Hr1 Hr2 EQ; destruct (lt_trichotomy q1 q2) as [LT|[EQ'|GT]].
  + elim (U q1 q2 r1 r2); intuition.
  + splitautorewrite EQ' in EQ. rewrite add_cancel_l in EQ; auto.
  + elim (U q2 q1 r2 r1); intuition.
Qed.

Theorem div_unique:
 forall a b q r, 0<=a -> 0<=r<b ->
   a == b*q + r -> q == a/b.
Proof.
intros a b q r Ha (Hb,Hr) EQ.
destruct (div_mod_unique b q (a/b) r (a mod b)); auto.
apply mod_bound_pos; order.
rewrite <- div_mod; order.
Qed.

Theorem mod_unique:
 forall a b q r, 0<=a -> 0<=r<b ->
  a == b*q + r -> r == a mod b.
Proof.
intros a b q r Ha (Hb,Hr) EQ.
destruct (div_mod_unique b q (a/b) r (a mod b)); auto.
apply mod_bound_pos; order.
rewrite <- div_mod; order.
Qed.

Theorem div_unique_exact a b q:
 0<=a -> 0<b -> a == b*q -> q == a/b.
Proof.
 intros Ha Hb H. apply div_unique with 0; nzsimpl; now try split.
Qed.

(** A division by itself returns 1 *)

Lemma div_same : forall a, 0<a -> a/a == 1.
Proof.
introssymmetryapply div_unique_exact; nzsimpl; order.
Qed.

Lemma mod_same : forall a, 0<a -> a mod a == 0.
Proof.
introssymmetry.
apply mod_unique with 1; intuitiontry order.
now nzsimpl.
Qed.

(** A division of a small number by a bigger one yields zero. *)

Theorem div_small: forall a b, 0<=a<b -> a/b == 0.
Proof.
introssymmetry.
apply div_unique with a; intuitiontry order.
now nzsimpl.
Qed.

(** Same situation, in term of modulo: *)

Theorem mod_small: forall a b, 0<=a<b -> a mod b == a.
Proof.
introssymmetry.
apply mod_unique with 0; intuitiontry order.
now nzsimpl.
Qed.

(** * Basic values of divisions and modulo. *)

Lemma div_0_l: forall a, 0<a -> 0/a == 0.
Proof.
introsapply div_small; split; order.
Qed.

Lemma mod_0_l: forall a, 0<a -> 0 mod a == 0.
Proof.
introsapply mod_small; split; order.
Qed.

Lemma div_1_r: forall a, 0<=a -> a/1 == a.
Proof.
introssymmetryapply div_unique_exact; nzsimpl; order'.
Qed.

Lemma mod_1_r: forall a, 0<=a -> a mod 1 == 0.
Proof.
introssymmetry.
apply mod_unique with a; try splittry order; try apply lt_0_1.
now nzsimpl.
Qed.

Lemma div_1_l: forall a, 1<a -> 1/a == 0.
Proof.
introsapply div_small; splitautoapply le_0_1.
Qed.

Lemma mod_1_l: forall a, 1<a -> 1 mod a == 1.
Proof.
introsapply mod_small; splitautoapply le_0_1.
Qed.

Lemma div_mul : forall a b, 0<=a -> 0<b -> (a*b)/b == a.
Proof.
introssymmetryapply div_unique_exact; trivial.
apply mul_nonneg_nonneg; order.
apply mul_comm.
Qed.

Lemma mod_mul : forall a b, 0<=a -> 0<b -> (a*b) mod b == 0.
Proof.
introssymmetry.
apply mod_unique with a; try splittry order.
apply mul_nonneg_nonneg; order.
- nzsimpl; apply mul_comm.
Qed.


(** * Order results about mod and div *)

(** A modulo cannot grow beyond its starting point. *)

Theorem mod_le: forall a b, 0<=a -> 0<b -> a mod b <= a.
Proof.
introsdestruct (le_gt_cases b a).
apply le_trans with b; auto.
  apply lt_le_incl. destruct (mod_bound_pos a b); auto.
rewrite lt_eq_cases; right.
  apply mod_small; auto.
Qed.


(* Division of positive numbers is positive. *)

Lemma div_pos: forall a b, 0<=a -> 0<b -> 0 <= a/b.
Proof.
intros.
rewrite (mul_le_mono_pos_l _ _ b); auto; nzsimpl.
rewrite (add_le_mono_r _ _ (a mod b)).
rewrite <- div_mod by order.
nzsimpl.
apply mod_le; auto.
Qed.

Lemma div_str_pos : forall a b, 0<b<=a -> 0 < a/b.
Proof.
intros a b (Hb,Hab).
assert (LE : 0 <= a/b) by (apply div_pos; order).
assert (MOD : a mod b < b) by (destruct (mod_bound_pos a b); order).
rewrite lt_eq_cases in LE; destruct LE as [LT|EQ]; auto.
exfalso; revert Hab.
rewrite (div_mod a b), <-EQ; nzsimpl; order.
Qed.

Lemma div_small_iff : forall a b, 0<=a -> 0<b -> (a/b==0 <-> a<b).
Proof.
intros a b Ha Hb; splitintros Hab.
destruct (lt_ge_cases a b); auto.
  symmetry in Hab. contradict Hab. apply lt_neq, div_str_pos; auto.
apply div_small; auto.
Qed.

Lemma mod_small_iff : forall a b, 0<=a -> 0<b -> (a mod b == a <-> a<b).
Proof.
intros a b Ha Hb. splitintros H; auto using mod_small.
rewrite <- div_small_iff; auto.
rewrite <- (mul_cancel_l _ _ b) by order.
rewrite <- (add_cancel_r _ _ (a mod b)).
rewrite <- div_mod, H by order. now nzsimpl.
Qed.

Lemma div_str_pos_iff : forall a b, 0<=a -> 0<b -> (0<a/b <-> b<=a).
Proof.
intros a b Ha Hb; splitintros Hab.
destruct (lt_ge_cases a b) as [LT|LE]; auto.
  rewrite <- div_small_iff in LT; order.
apply div_str_pos; auto.
Qed.


(** As soon as the divisor is strictly greater than 1,
    the division is strictly decreasing. *)


Lemma div_lt : forall a b, 0<a -> 1<b -> a/b < a.
Proof.
intros.
assert (0 < b) by (apply lt_trans with 1; auto using lt_0_1).
destruct (lt_ge_cases a b).
rewrite div_small; try split; order.
rewrite (div_mod a b) at 2 by order.
  apply lt_le_trans with (b*(a/b)).
  + rewrite <- (mul_1_l (a/b)) at 1.
    rewrite <- mul_lt_mono_pos_r; auto.
    apply div_str_pos; auto.
  + rewrite <- (add_0_r (b*(a/b))) at 1.
    rewrite <- add_le_mono_l. destruct (mod_bound_pos a b); order.
Qed.

(** [le] is compatible with a positive division. *)

Lemma div_le_mono : forall a b c, 0<c -> 0<=a<=b -> a/c <= b/c.
Proof.
intros a b c Hc (Ha,Hab).
rewrite lt_eq_cases in Hab. destruct Hab as [LT|EQ];
 [|rewrite EQ; order].
rewrite <- lt_succ_r.
rewrite (mul_lt_mono_pos_l c) by order.
nzsimpl.
rewrite (add_lt_mono_r _ _ (a mod c)).
rewrite <- div_mod by order.
apply lt_le_trans with b; auto.
rewrite (div_mod b c) at 1 by order.
rewrite <- add_assoc, <- add_le_mono_l.
apply le_trans with (c+0).
- nzsimpl; destruct (mod_bound_pos b c); order.
rewrite <- add_le_mono_l. destruct (mod_bound_pos a c); order.
Qed.

(** The following two properties could be used as specification of div *)

Lemma mul_div_le : forall a b, 0<=a -> 0<b -> b*(a/b) <= a.
Proof.
intros.
rewrite (add_le_mono_r _ _ (a mod b)), <- div_mod by order.
rewrite <- (add_0_r a) at 1.
rewrite <- add_le_mono_l. destruct (mod_bound_pos a b); order.
Qed.

Lemma mul_succ_div_gt : forall a b, 0<=a -> 0<b -> a < b*(S (a/b)).
Proof.
intros.
rewrite (div_mod a b) at 1 by order.
rewrite (mul_succ_r).
rewrite <- add_lt_mono_l.
destruct (mod_bound_pos a b); auto.
Qed.


(** The previous inequality is exact iff the modulo is zero. *)

Lemma div_exact : forall a b, 0<=a -> 0<b -> (a == b*(a/b) <-> a mod b == 0).
Proof.
introsrewrite (div_mod a b) at 1 by order.
rewrite <- (add_0_r (b*(a/b))) at 2.
apply add_cancel_l.
Qed.

(** Some additional inequalities about div. *)

Theorem div_lt_upper_bound:
  forall a b q, 0<=a -> 0<b -> a < b*q -> a/b < q.
Proof.
intros.
rewrite (mul_lt_mono_pos_l b) by order.
apply le_lt_trans with a; auto.
apply mul_div_le; auto.
Qed.

Theorem div_le_upper_bound:
  forall a b q, 0<=a -> 0<b -> a <= b*q -> a/b <= q.
Proof.
intros.
rewrite (mul_le_mono_pos_l _ _ b) by order.
apply le_trans with a; auto.
apply mul_div_le; auto.
Qed.

Theorem div_le_lower_bound:
  forall a b q, 0<=a -> 0<b -> b*q <= a -> q <= a/b.
Proof.
intros a b q Ha Hb H.
destruct (lt_ge_cases 0 q).
rewrite <- (div_mul q b); try order.
  apply div_le_mono; auto.
  rewrite mul_comm; splitauto.
  apply lt_le_incl, mul_pos_pos; auto.
apply le_trans with 0; autoapply div_pos; auto.
Qed.

(** A division respects opposite monotonicity for the divisor *)

Lemma div_le_compat_l: forall p q r, 0<=p -> 0<q<=r ->
    p/r <= p/q.
Proof.
 intros p q r Hp (Hq,Hqr).
 apply div_le_lower_bound; auto.
 rewrite (div_mod p r) at 2 by order.
 apply le_trans with (r*(p/r)).
 - apply mul_le_mono_nonneg_r; try order.
   apply div_pos; order.
 - rewrite <- (add_0_r (r*(p/r))) at 1.
   rewrite <- add_le_mono_l. destruct (mod_bound_pos p r); order.
Qed.


(** * Relations between usual operations and mod and div *)

Lemma mod_add : forall a b c, 0<=a -> 0<=a+b*c -> 0<c ->
 (a + b * c) mod c == a mod c.
Proof.
 intros.
 symmetry.
 apply mod_unique with (a/c+b); auto.
 - apply mod_bound_pos; auto.
 - rewrite mul_add_distr_l, add_shuffle0, <- div_mod by order.
   now rewrite mul_comm.
Qed.

Lemma div_add : forall a b c, 0<=a -> 0<=a+b*c -> 0<c ->
 (a + b * c) / c == a / c + b.
Proof.
 intros.
 apply (mul_cancel_l _ _ c); try order.
 apply (add_cancel_r _ _ ((a+b*c) mod c)).
 rewrite <- div_mod, mod_add by order.
 rewrite mul_add_distr_l, add_shuffle0, <- div_mod by order.
 now rewrite mul_comm.
Qed.

Lemma div_add_l: forall a b c, 0<=c -> 0<=a*b+c -> 0<b ->
 (a * b + c) / b == a + c / b.
Proof.
 intros a b c. rewrite (add_comm _ c), (add_comm a).
 introsapply div_add; auto.
Qed.

(** Cancellations. *)

Lemma div_mul_cancel_r : forall a b c, 0<=a -> 0<b -> 0<c ->
 (a*c)/(b*c) == a/b.
Proof.
 intros.
 symmetry.
 apply div_unique with ((a mod b)*c).
 - apply mul_nonneg_nonneg; order.
 - split.
   + apply mul_nonneg_nonneg; destruct (mod_bound_pos a b); order.
   + rewrite <- mul_lt_mono_pos_r; autodestruct (mod_bound_pos a b); auto.
 - rewrite (div_mod a b) at 1 by order.
   rewrite mul_add_distr_r.
   rewrite add_cancel_r.
   rewrite <- 2 mul_assoc. now rewrite (mul_comm c).
Qed.

Lemma div_mul_cancel_l : forall a b c, 0<=a -> 0<b -> 0<c ->
 (c*a)/(c*b) == a/b.
Proof.
 introsrewrite !(mul_comm c); apply div_mul_cancel_r; auto.
Qed.

Lemma mul_mod_distr_l: forall a b c, 0<=a -> 0<b -> 0<c ->
  (c*a) mod (c*b) == c * (a mod b).
Proof.
 intros.
 rewrite <- (add_cancel_l _ _ ((c*b)* ((c*a)/(c*b)))).
 rewrite <- div_mod.
 - rewrite div_mul_cancel_l; auto.
   rewrite <- mul_assoc, <- mul_add_distr_l, mul_cancel_l by order.
   apply div_mod; order.
 - rewrite <- neq_mul_0; intuition; order.
Qed.

Lemma mul_mod_distr_r: forall a b c, 0<=a -> 0<b -> 0<c ->
  (a*c) mod (b*c) == (a mod b) * c.
Proof.
 introsrewrite !(mul_comm _ c); now rewrite mul_mod_distr_l.
Qed.

(** Operations modulo. *)

Theorem mod_mod: forall a n, 0<=a -> 0<n ->
 (a mod n) mod n == a mod n.
Proof.
 introsdestruct (mod_bound_pos a n); autonow rewrite mod_small_iff.
Qed.

Lemma mul_mod_idemp_l : forall a b n, 0<=a -> 0<=b -> 0<n ->
 ((a mod n)*b) mod n == (a*b) mod n.
Proof.
 intros a b n Ha Hb Hn. symmetry.
 generalize (mul_nonneg_nonneg _ _ Ha Hb).
 rewrite (div_mod a n) at 1 2 by order.
 rewrite add_comm, (mul_comm n), (mul_comm _ b).
 rewrite mul_add_distr_l, mul_assoc.
 introsrewrite mod_add; auto.
 - now rewrite mul_comm.
 - apply mul_nonneg_nonneg; destruct (mod_bound_pos a n); auto.
Qed.

Lemma mul_mod_idemp_r : forall a b n, 0<=a -> 0<=b -> 0<n ->
 (a*(b mod n)) mod n == (a*b) mod n.
Proof.
 introsrewrite !(mul_comm a). apply mul_mod_idemp_l; auto.
Qed.

Theorem mul_mod: forall a b n, 0<=a -> 0<=b -> 0<n ->
 (a * b) mod n == ((a mod n) * (b mod n)) mod n.
Proof.
  introsrewrite mul_mod_idemp_l, mul_mod_idemp_r; trivial. - reflexivity.
  - now destruct (mod_bound_pos b n).
Qed.

Lemma add_mod_idemp_l : forall a b n, 0<=a -> 0<=b -> 0<n ->
 ((a mod n)+b) mod n == (a+b) mod n.
Proof.
 intros a b n Ha Hb Hn. symmetry.
 generalize (add_nonneg_nonneg _ _ Ha Hb).
 rewrite (div_mod a n) at 1 2 by order.
 rewrite <- add_assoc, add_comm, mul_comm.
 introsrewrite mod_add; trivial. - reflexivity.
 - apply add_nonneg_nonneg; autodestruct (mod_bound_pos a n); auto.
Qed.

Lemma add_mod_idemp_r : forall a b n, 0<=a -> 0<=b -> 0<n ->
 (a+(b mod n)) mod n == (a+b) mod n.
Proof.
 introsrewrite !(add_comm a). apply add_mod_idemp_l; auto.
Qed.

Theorem add_mod: forall a b n, 0<=a -> 0<=b -> 0<n ->
 (a+b) mod n == (a mod n + b mod n) mod n.
Proof.
  introsrewrite add_mod_idemp_l, add_mod_idemp_r; trivial. - reflexivity.
  - now destruct (mod_bound_pos b n).
Qed.

Lemma div_div : forall a b c, 0<=a -> 0<b -> 0<c ->
 (a/b)/c == a/(b*c).
Proof.
 intros a b c Ha Hb Hc.
 apply div_unique with (b*((a/b) mod c) + a mod b); trivial.
 (* begin 0<= ... <b*c *)
 - destruct (mod_bound_pos (a/b) c), (mod_bound_pos a b); auto using div_pos.
   split.
   + apply add_nonneg_nonneg; auto.
     apply mul_nonneg_nonneg; order.
   + apply lt_le_trans with (b*((a/b) mod c) + b).
     * rewrite <- add_lt_mono_l; auto.
     * rewrite <- mul_succ_r, <- mul_le_mono_pos_l, le_succ_l; auto.
       (* end 0<= ... < b*c *)
 - rewrite (div_mod a b) at 1 by order.
   rewrite add_assoc, add_cancel_r.
   rewrite <- mul_assoc, <- mul_add_distr_l, mul_cancel_l by order.
   apply div_mod; order.
Qed.

Lemma mod_mul_r : forall a b c, 0<=a -> 0<b -> 0<c ->
 a mod (b*c) == a mod b + b*((a/b) mod c).
Proof.
 intros a b c Ha Hb Hc.
 apply add_cancel_l with (b*c*(a/(b*c))).
 rewrite <- div_mod by (apply neq_mul_0; split; order).
 rewrite <- div_div by trivial.
 rewrite add_assoc, add_shuffle0, <- mul_assoc, <- mul_add_distr_l.
 rewrite <- div_mod by order.
 apply div_mod; order.
Qed.

(** A last inequality: *)

Theorem div_mul_le:
 forall a b c, 0<=a -> 0<b -> 0<=c -> c*(a/b) <= (c*a)/b.
Proof.
 intros.
 apply div_le_lower_bound; auto.
 - apply mul_nonneg_nonneg; auto.
 - rewrite mul_assoc, (mul_comm b c), <- mul_assoc.
   apply mul_le_mono_nonneg_l; auto.
   apply mul_div_le; auto.
Qed.

(** mod is related to divisibility *)

Lemma mod_divides : forall a b, 0<=a -> 0<b ->
 (a mod b == 0 <-> exists c, a == b*c).
Proof.
 split.
 - introsexists (a/b). rewrite div_exact; auto.
 - intros (c,Hc). rewrite Hc, mul_comm. apply mod_mul; auto.
   rewrite (mul_le_mono_pos_l _ _ b); auto. nzsimpl. order.
Qed.

End NZDivProp.


¤ Dauer der Verarbeitung: 0.24 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤





Download des
Quellennavigators
Download des
sprechenden Kalenders

in der Quellcodebibliothek suchen




Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.


Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.


Bot Zugriff