products/sources/formale sprachen/Coq/theories/Reals image not shown  

Quellcode-Bibliothek

© Kompilation durch diese Firma

[Weder Korrektheit noch Funktionsfähigkeit der Software werden zugesichert.]

Datei: Rfunctions.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)         *)
(************************************************************************)

(*i Some properties about pow and sum have been made with John Harrison i*)
(*i Some Lemmas (about pow and powerRZ) have been done by Laurent Thery i*)

(********************************************************)
(**          Definition of the sum functions            *)
(*                                                      *)
(********************************************************)
Require Export ArithRing.

Require Import Rbase.
Require Export Rpow_def.
Require Export R_Ifp.
Require Export Rbasic_fun.
Require Export R_sqr.
Require Export SplitAbsolu.
Require Export SplitRmult.
Require Export ArithProp.
Require Import Omega.
Require Import Zpower.
Local Open Scope nat_scope.
Local Open Scope R_scope.

(*******************************)
(** * Lemmas about factorial   *)
(*******************************)
(*********)
Lemma INR_fact_neq_0 : forall n:nat, INR (fact n) <> 0.
Proof.
  introredintroapply (not_O_INR (fact n) (fact_neq_0 n));
    assumption.
Qed.

(*********)
Lemma fact_simpl : forall n:nat, fact (S n) = (S n * fact n)%nat.
Proof.
  introreflexivity.
Qed.

(*********)
Lemma simpl_fact :
  forall n:nat, / INR (fact (S n)) * / / INR (fact n) = / INR (S n).
Proof.
  introrewrite (Rinv_involutive (INR (fact n)) (INR_fact_neq_0 n));
    unfold fact at 1; cbv beta iota; fold fact;
      rewrite (mult_INR (S n) (fact n));
        rewrite (Rinv_mult_distr (INR (S n)) (INR (fact n))).
  rewrite (Rmult_assoc (/ INR (S n)) (/ INR (fact n)) (INR (fact n)));
    rewrite (Rinv_l (INR (fact n)) (INR_fact_neq_0 n));
      apply (let (H1, H2) := Rmult_ne (/ INR (S n)) in H1).
  apply not_O_INR; auto.
  apply INR_fact_neq_0.
Qed.

(*******************************)
(** *       Power              *)
(*******************************)
(*********)

Infix "^" := pow : R_scope.

Lemma pow_O : forall x:R, x ^ 0 = 1.
Proof.
  reflexivity.
Qed.

Lemma pow_1 : forall x:R, x ^ 1 = x.
Proof.
  simplauto with real.
Qed.

Lemma pow_add : forall (x:R) (n m:nat), x ^ (n + m) = x ^ n * x ^ m.
Proof.
  intros x n; elim n; simplauto with real.
  intros n0 H' m; rewrite H'; auto with real.
Qed.

Lemma Rpow_mult_distr : forall (x y:R) (n:nat), (x * y) ^ n = x^n * y^n.
Proof.
intros x y n ; induction n.
 field.
 simpl.
 repeat (rewrite Rmult_assoc) ; apply Rmult_eq_compat_l.
 rewrite IHn ; field.
Qed.

Lemma pow_nonzero : forall (x:R) (n:nat), x <> 0 -> x ^ n <> 0.
Proof.
  introsimple induction n; simpl.
  introredintroapply R1_neq_R0; assumption.
  introsredintroelim (Rmult_integral x (x ^ n0) H1).
  introauto.
  apply H; assumption.
Qed.

Hint Resolve pow_O pow_1 pow_add pow_nonzero: real.

Lemma pow_RN_plus :
  forall (x:R) (n m:nat), x <> 0 -> x ^ n = x ^ (n + m) * / x ^ m.
Proof.
  intros x n; elim n; simplauto with real.
  intros n0 H' m H'0.
  rewrite Rmult_assoc; rewrite <- H'; auto.
Qed.

Lemma pow_lt : forall (x:R) (n:nat), 0 < x -> 0 < x ^ n.
Proof.
  intros x n; elim n; simplauto with real.
  intros n0 H' H'0; replace 0 with (x * 0); auto with real.
Qed.
Hint Resolve pow_lt: real.

Lemma Rlt_pow_R1 : forall (x:R) (n:nat), 1 < x -> (0 < n)%nat -> 1 < x ^ n.
Proof.
  intros x n; elim n; simplauto with real.
  intros H' H'0; exfalso; omega.
  intros n0; case n0.
  simplrewrite Rmult_1_r; auto.
  intros n1 H' H'0 H'1.
  replace 1 with (1 * 1); auto with real.
  apply Rlt_trans with (r2 := x * 1); auto with real.
  apply Rmult_lt_compat_l; auto with real.
  apply Rlt_trans with (r2 := 1); auto with real.
  apply H'; auto with arith.
Qed.
Hint Resolve Rlt_pow_R1: real.

Lemma Rlt_pow : forall (x:R) (n m:nat), 1 < x -> (n < m)%nat -> x ^ n < x ^ m.
Proof.
  intros x n m H' H'0; replace m with (m - n + n)%nat.
  rewrite pow_add.
  pattern (x ^ n) at 1; replace (x ^ n) with (1 * x ^ n);
    auto with real.
  apply Rminus_lt.
  repeat rewrite (fun y:R => Rmult_comm y (x ^ n));
    rewrite <- Rmult_minus_distr_l.
  replace 0 with (x ^ n * 0); auto with real.
  apply Rmult_lt_compat_l; auto with real.
  apply pow_lt; auto with real.
  apply Rlt_trans with (r2 := 1); auto with real.
  apply Rlt_minus; auto with real.
  apply Rlt_pow_R1; auto with arith.
  apply plus_lt_reg_l with (p := n); auto with arith.
  rewrite le_plus_minus_r; auto with arith; rewrite <- plus_n_O; auto.
  rewrite plus_comm; auto with arith.
Qed.
Hint Resolve Rlt_pow: real.

(*********)
Lemma tech_pow_Rmult : forall (x:R) (n:nat), x * x ^ n = x ^ S n.
Proof.
  simple induction n; simpltrivial.
Qed.

(*********)
Lemma tech_pow_Rplus :
  forall (x:R) (a n:nat), x ^ a + INR n * x ^ a = INR (S n) * x ^ a.
Proof.
  introspattern (x ^ a) at 1;
    rewrite <- (let (H1, H2) := Rmult_ne (x ^ a) in H1);
      rewrite (Rmult_comm (INR n) (x ^ a));
        rewrite <- (Rmult_plus_distr_l (x ^ a) 1 (INR n));
          rewrite (Rplus_comm 1 (INR n)); rewrite <- (S_INR n);
            apply Rmult_comm.
Qed.

Lemma poly : forall (n:nat) (x:R), 0 < x -> 1 + INR n * x <= (1 + x) ^ n.
Proof.
  introselim n.
  simplcut (1 + 0 * x = 1).
  introrewrite H0; unfold Rle; rightreflexivity.
  ring.
  introsunfold pow; fold pow;
    apply
      (Rle_trans (1 + INR (S n0) * x) ((1 + x) * (1 + INR n0 * x))
        ((1 + x) * (1 + x) ^ n0)).
  cut ((1 + x) * (1 + INR n0 * x) = 1 + INR (S n0) * x + INR n0 * (x * x)).
  introrewrite H1; pattern (1 + INR (S n0) * x) at 1;
    rewrite <- (let (H1, H2) := Rplus_ne (1 + INR (S n0) * x) in H1);
      apply Rplus_le_compat_l; elim n0; intros.
  simplrewrite Rmult_0_l; unfold Rle; rightauto.
  unfold Rle; leftgeneralize Rmult_gt_0_compat; unfold Rgt;
    intro; fold (Rsqr x);
      apply (H3 (INR (S n1)) (Rsqr x) (lt_INR_0 (S n1) (lt_O_Sn n1)));
        fold (x > 0) in H;
          apply (Rlt_0_sqr x (Rlt_dichotomy_converse x 0 (or_intror (x < 0) H))).
  rewrite (S_INR n0); ring.
  unfold Rle in H0; elim H0; intro.
  unfold Rle; leftapply Rmult_lt_compat_l.
  rewrite Rplus_comm; apply (Rle_lt_0_plus_1 x (Rlt_le 0 x H)).
  assumption.
  rewrite H1; unfold Rle; righttrivial.
Qed.

Lemma Power_monotonic :
  forall (x:R) (m n:nat),
    Rabs x > 1 -> (m <= n)%nat -> Rabs (x ^ m) <= Rabs (x ^ n).
Proof.
  intros x m n H; induction  n as [| n Hrecn]; introsinversion H0.
  unfold Rle; rightreflexivity.
  unfold Rle; rightreflexivity.
  apply (Rle_trans (Rabs (x ^ m)) (Rabs (x ^ n)) (Rabs (x ^ S n))).
  apply Hrecn; assumption.
  simplrewrite Rabs_mult.
  pattern (Rabs (x ^ n)) at 1.
  rewrite <- Rmult_1_r.
  rewrite (Rmult_comm (Rabs x) (Rabs (x ^ n))).
  apply Rmult_le_compat_l.
  apply Rabs_pos.
  unfold Rgt in H.
  apply Rlt_le; assumption.
Qed.

Lemma RPow_abs : forall (x:R) (n:nat), Rabs x ^ n = Rabs (x ^ n).
Proof.
  introsimple induction n; simpl.
  symmetryapply Rabs_pos_eq; apply Rlt_le; apply Rlt_0_1.
  introsrewrite H; symmetryapply Rabs_mult.
Qed.


Lemma Pow_x_infinity :
  forall x:R,
    Rabs x > 1 ->
    forall b:R,
      exists N : nat, (forall n:nat, (n >= N)%nat -> Rabs (x ^ n) >= b).
Proof.
  introselim (archimed (b * / (Rabs x - 1))); intros; clear H1;
    cut (exists N : nat, INR N >= b * / (Rabs x - 1)).
  introelim H1; clear H1; introsexists x0; intros;
    apply (Rge_trans (Rabs (x ^ n)) (Rabs (x ^ x0)) b).
  apply Rle_ge; apply Power_monotonic; assumption.
  rewrite <- RPow_abs; cut (Rabs x = 1 + (Rabs x - 1)).
  introrewrite H3;
    apply (Rge_trans ((1 + (Rabs x - 1)) ^ x0) (1 + INR x0 * (Rabs x - 1)) b).
  apply Rle_ge; apply poly; fold (Rabs x - 1 > 0); apply Rgt_minus;
    assumption.
  apply (Rge_trans (1 + INR x0 * (Rabs x - 1)) (INR x0 * (Rabs x - 1)) b).
  apply Rle_ge; apply Rlt_le; rewrite (Rplus_comm 1 (INR x0 * (Rabs x - 1)));
    pattern (INR x0 * (Rabs x - 1)) at 1;
      rewrite <- (let (H1, H2) := Rplus_ne (INR x0 * (Rabs x - 1)) in H1);
        apply Rplus_lt_compat_l; apply Rlt_0_1.
  cut (b = b * / (Rabs x - 1) * (Rabs x - 1)).
  introsrewrite H4; apply Rmult_ge_compat_r.
  apply Rge_minus; unfold Rge; left; assumption.
  assumption.
  rewrite Rmult_assoc; rewrite Rinv_l.
  ring.
  apply Rlt_dichotomy_converse; rightapply Rgt_minus; assumption.
  ring.
  cut ((0 <= up (b * / (Rabs x - 1)))%Z \/ (up (b * / (Rabs x - 1)) <= 0)%Z).
  introselim H1; intro.
  elim (IZN (up (b * / (Rabs x - 1))) H2); introsexists x0;
    apply
      (Rge_trans (INR x0) (IZR (up (b * / (Rabs x - 1)))) (b * / (Rabs x - 1))).
  rewrite INR_IZR_INZ; apply IZR_ge; omega.
  unfold Rge; left; assumption.
  exists 0%nat;
    apply
      (Rge_trans (INR 0) (IZR (up (b * / (Rabs x - 1)))) (b * / (Rabs x - 1))).
  rewrite INR_IZR_INZ; apply IZR_ge; simpl; omega.
  unfold Rge; left; assumption.
  omega.
Qed.

Lemma pow_ne_zero : forall n:nat, n <> 0%nat -> 0 ^ n = 0.
Proof.
  simple induction n.
  simplauto.
  introselim H; reflexivity.
  introssimplapply Rmult_0_l.
Qed.

Lemma Rinv_pow : forall (x:R) (n:nat), x <> 0 -> / x ^ n = (/ x) ^ n.
Proof.
  introselim n; simpl.
  apply Rinv_1.
  intro m; introrewrite Rinv_mult_distr.
  rewrite H0; reflexivity; assumption.
  assumption.
  apply pow_nonzero; assumption.
Qed.

Lemma pow_lt_1_zero :
  forall x:R,
    Rabs x < 1 ->
    forall y:R,
      0 < y ->
      exists N : nat, (forall n:nat, (n >= N)%nat -> Rabs (x ^ n) < y).
Proof.
  introselim (Req_dec x 0); intro.
  exists 1%nat; rewrite H1; intros n GE; rewrite pow_ne_zero.
  rewrite Rabs_R0; assumption.
  inversion GE; auto.
  cut (Rabs (/ x) > 1).
  introselim (Pow_x_infinity (/ x) H2 (/ y + 1)); intros N.
  exists N; introsrewrite <- (Rinv_involutive y).
  rewrite <- (Rinv_involutive (Rabs (x ^ n))).
  apply Rinv_lt_contravar.
  apply Rmult_lt_0_compat.
  apply Rinv_0_lt_compat.
  assumption.
  apply Rinv_0_lt_compat.
  apply Rabs_pos_lt.
  apply pow_nonzero.
  assumption.
  rewrite <- Rabs_Rinv.
  rewrite Rinv_pow.
  apply (Rlt_le_trans (/ y) (/ y + 1) (Rabs ((/ x) ^ n))).
  pattern (/ y) at 1.
  rewrite <- (let (H1, H2) := Rplus_ne (/ y) in H1).
  apply Rplus_lt_compat_l.
  apply Rlt_0_1.
  apply Rge_le.
  apply H3.
  assumption.
  assumption.
  apply pow_nonzero.
  assumption.
  apply Rabs_no_R0.
  apply pow_nonzero.
  assumption.
  apply Rlt_dichotomy_converse.
  rightunfold Rgt; assumption.
  rewrite <- (Rinv_involutive 1).
  rewrite Rabs_Rinv.
  unfold Rgt; apply Rinv_lt_contravar.
  apply Rmult_lt_0_compat.
  apply Rabs_pos_lt.
  assumption.
  rewrite Rinv_1; apply Rlt_0_1.
  rewrite Rinv_1; assumption.
  assumption.
  redintroapply R1_neq_R0; assumption.
Qed.

Lemma pow_R1 : forall (r:R) (n:nat), r ^ n = 1 -> Rabs r = 1 \/ n = 0%nat.
Proof.
  intros r n H'.
  case (Req_dec (Rabs r) 1); autointros H'1.
  case (Rdichotomy _ _ H'1); intros H'2.
  generalize H'; case n; auto.
  intros n0 H'0.
  cut (r <> 0); [ intros Eq1 | idtac ].
  cut (Rabs r <> 0); [ intros Eq2 | apply Rabs_no_R0 ]; auto.
  absurd (Rabs (/ r) ^ 0 < Rabs (/ r) ^ S n0); auto.
  replace (Rabs (/ r) ^ S n0) with 1.
  simplapply Rlt_irrefl; auto.
  rewrite Rabs_Rinv; auto.
  rewrite <- Rinv_pow; auto.
  rewrite RPow_abs; auto.
  rewrite H'0; rewrite Rabs_right; auto with real rorders.
  apply Rlt_pow; auto with arith.
  rewrite Rabs_Rinv; auto.
  apply Rmult_lt_reg_l with (r := Rabs r).
  case (Rabs_pos r); auto.
  intros H'3; case Eq2; auto.
  rewrite Rmult_1_r; rewrite Rinv_r; auto with real.
  redintroabsurd (r ^ S n0 = 1); auto.
  simplrewrite H; rewrite Rmult_0_l; auto with real.
  generalize H'; case n; auto.
  intros n0 H'0.
  cut (r <> 0); [ intros Eq1 | auto with real ].
  cut (Rabs r <> 0); [ intros Eq2 | apply Rabs_no_R0 ]; auto.
  absurd (Rabs r ^ 0 < Rabs r ^ S n0); auto with real arith.
  repeat rewrite RPow_abs; rewrite H'0; simplauto with real.
  redintroabsurd (r ^ S n0 = 1); auto.
  simplrewrite H; rewrite Rmult_0_l; auto with real.
Qed.

Lemma pow_Rsqr : forall (x:R) (n:nat), x ^ (2 * n) = Rsqr x ^ n.
Proof.
  introsinduction  n as [| n Hrecn].
  reflexivity.
  replace (2 * S n)%nat with (S (S (2 * n))).
  replace (x ^ S (S (2 * n))) with (x * x * x ^ (2 * n)).
  rewrite Hrecn; reflexivity.
  simpl; ring.
  ring.
Qed.

Lemma pow_le : forall (a:R) (n:nat), 0 <= a -> 0 <= a ^ n.
Proof.
  introsinduction  n as [| n Hrecn].
  simplleftapply Rlt_0_1.
  simplapply Rmult_le_pos; assumption.
Qed.

(**********)
Lemma pow_1_even : forall n:nat, (-1) ^ (2 * n) = 1.
Proof.
  introinduction  n as [| n Hrecn].
  reflexivity.
  replace (2 * S n)%nat with (2 + 2 * n)%nat by ring.
  rewrite pow_add; rewrite Hrecn; simpl; ring.
Qed.

(**********)
Lemma pow_1_odd : forall n:nat, (-1) ^ S (2 * n) = -1.
Proof.
  introreplace (S (2 * n)) with (2 * n + 1)%nat by ring.
  rewrite pow_add; rewrite pow_1_even; simpl; ring.
Qed.

(**********)
Lemma pow_1_abs : forall n:nat, Rabs ((-1) ^ n) = 1.
Proof.
  introinduction  n as [| n Hrecn].
  simplapply Rabs_R1.
  replace (S n) with (n + 1)%nat; [ rewrite pow_add | ring ].
  rewrite Rabs_mult.
  rewrite Hrecn; rewrite Rmult_1_l; simplrewrite Rmult_1_r.
  change (-1) with (-(1)).
  rewrite Rabs_Ropp; apply Rabs_R1.
Qed.

Lemma pow_mult : forall (x:R) (n1 n2:nat), x ^ (n1 * n2) = (x ^ n1) ^ n2.
Proof.
  introsinduction  n2 as [| n2 Hrecn2].
  simplreplace (n1 * 0)%nat with 0%nat; [ reflexivity | ring ].
  replace (n1 * S n2)%nat with (n1 * n2 + n1)%nat.
  replace (S n2) with (n2 + 1)%nat by ring.
  do 2 rewrite pow_add.
  rewrite Hrecn2.
  simpl.
  ring.
  ring.
Qed.

Lemma pow_incr : forall (x y:R) (n:nat), 0 <= x <= y -> x ^ n <= y ^ n.
Proof.
  intros.
  induction  n as [| n Hrecn].
  rightreflexivity.
  simpl.
  elim H; intros.
  apply Rle_trans with (y * x ^ n).
  do 2 rewrite <- (Rmult_comm (x ^ n)).
  apply Rmult_le_compat_l.
  apply pow_le; assumption.
  assumption.
  apply Rmult_le_compat_l.
  apply Rle_trans with x; assumption.
  apply Hrecn.
Qed.

Lemma pow_R1_Rle : forall (x:R) (k:nat), 1 <= x -> 1 <= x ^ k.
Proof.
  intros.
  induction  k as [| k Hreck].
  rightreflexivity.
  simpl.
  apply Rle_trans with (x * 1).
  rewrite Rmult_1_r; assumption.
  apply Rmult_le_compat_l.
  leftapply Rlt_le_trans with 1; [ apply Rlt_0_1 | assumption ].
  exact Hreck.
Qed.

Lemma Rle_pow :
  forall (x:R) (m n:nat), 1 <= x -> (m <= n)%nat -> x ^ m <= x ^ n.
Proof.
  intros.
  replace n with (n - m + m)%nat.
  rewrite pow_add.
  rewrite Rmult_comm.
  pattern (x ^ m) at 1; rewrite <- Rmult_1_r.
  apply Rmult_le_compat_l.
  apply pow_le; leftapply Rlt_le_trans with 1; [ apply Rlt_0_1 | assumption ].
  apply pow_R1_Rle; assumption.
  rewrite plus_comm.
  symmetry ; apply le_plus_minus; assumption.
Qed.

Lemma pow1 : forall n:nat, 1 ^ n = 1.
Proof.
  introinduction  n as [| n Hrecn].
  reflexivity.
  simplrewrite Hrecn; rewrite Rmult_1_r; reflexivity.
Qed.

Lemma pow_Rabs : forall (x:R) (n:nat), x ^ n <= Rabs x ^ n.
Proof.
  introsinduction  n as [| n Hrecn].
  rightreflexivity.
  simpldestruct (Rcase_abs x) as [Hlt|Hle].
  apply Rle_trans with (Rabs (x * x ^ n)).
  apply RRle_abs.
  rewrite Rabs_mult.
  apply Rmult_le_compat_l.
  apply Rabs_pos.
  rightsymmetryapply RPow_abs.
  pattern (Rabs x) at 1; rewrite (Rabs_right x Hle);
    apply Rmult_le_compat_l.
  apply Rge_le; exact Hle.
  apply Hrecn.
Qed.

Lemma pow_maj_Rabs : forall (x y:R) (n:nat), Rabs y <= x -> y ^ n <= x ^ n.
Proof.
  introscut (0 <= x).
  introapply Rle_trans with (Rabs y ^ n).
  apply pow_Rabs.
  induction  n as [| n Hrecn].
  rightreflexivity.
  simplapply Rle_trans with (x * Rabs y ^ n).
  do 2 rewrite <- (Rmult_comm (Rabs y ^ n)).
  apply Rmult_le_compat_l.
  apply pow_le; apply Rabs_pos.
  assumption.
  apply Rmult_le_compat_l.
  apply H0.
  apply Hrecn.
  apply Rle_trans with (Rabs y); [ apply Rabs_pos | exact H ].
Qed.

Lemma Rsqr_pow2 : forall x, Rsqr x = x ^ 2.
Proof.
introsunfold Rsqr; simplrewrite Rmult_1_r; reflexivity.
Qed.


(*******************************)
(** *       PowerRZ            *)
(*******************************)
(*i Due to L.Thery i*)

Section PowerRZ.

Local Coercion Z_of_nat : nat >-> Z.

(* the following section should probably be somewhere else, but not sure where *)
Section Z_compl.

Local Open Scope Z_scope.

(* Provides a way to reason directly on Z in terms of nats instead of positive *)
Inductive Z_spec (x : Z) : Z -> Type :=
| ZintNull : x = 0 -> Z_spec x 0
| ZintPos (n : nat) : x = n -> Z_spec x n
| ZintNeg (n : nat) : x = - n -> Z_spec x (- n).

Lemma intP (x : Z) : Z_spec x x.
Proof.
  destruct x as [|p|p].
  - now apply ZintNull.
  - rewrite <-positive_nat_Z at 2.
    apply ZintPos.
    now rewrite positive_nat_Z.
  - rewrite <-Pos2Z.opp_pos.
    rewrite <-positive_nat_Z at 2.
    apply ZintNeg.
    now rewrite positive_nat_Z.
Qed.

End Z_compl.

Definition powerRZ (x:R) (n:Z) :=
  match n with
    | Z0 => 1
    | Zpos p => x ^ Pos.to_nat p
    | Zneg p => / x ^ Pos.to_nat p
  end.

Local Infix "^Z" := powerRZ (at level 30, right associativity) : R_scope.

Lemma Zpower_NR0 :
  forall (x:Z) (n:nat), (0 <= x)%Z -> (0 <= Zpower_nat x n)%Z.
Proof.
  induction n; unfold Zpower_nat; simplauto with zarith.
Qed.

Lemma powerRZ_O : forall x:R, x ^Z 0 = 1.
Proof.
  reflexivity.
Qed.

Lemma powerRZ_1 : forall x:R, x ^Z Z.succ 0 = x.
Proof.
  simplauto with real.
Qed.

Lemma powerRZ_NOR : forall (x:R) (z:Z), x <> 0 -> x ^Z z <> 0.
Proof.
  destruct z; simplauto with real.
Qed.

Lemma powerRZ_pos_sub (x:R) (n m:positive) : x <> 0 ->
   x ^Z (Z.pos_sub n m) = x ^ Pos.to_nat n * / x ^ Pos.to_nat m.
Proof.
 intro Hx.
 rewrite Z.pos_sub_spec.
 case Pos.compare_spec; intro H; simpl.
 - subst; auto with real.
 - rewrite Pos2Nat.inj_sub by trivial.
   rewrite Pos2Nat.inj_lt in H.
   rewrite (pow_RN_plus x _ (Pos.to_nat n)) by auto with real.
   rewrite plus_comm, le_plus_minus_r by auto with real.
   rewrite Rinv_mult_distr, Rinv_involutive; auto with real.
 - rewrite Pos2Nat.inj_sub by trivial.
   rewrite Pos2Nat.inj_lt in H.
   rewrite (pow_RN_plus x _ (Pos.to_nat m)) by auto with real.
   rewrite plus_comm, le_plus_minus_r by auto with real.
   reflexivity.
Qed.

Lemma powerRZ_add :
  forall (x:R) (n m:Z), x <> 0 -> x ^Z (n + m) = x ^Z n * x ^Z m.
Proof.
  intros x [|n|n] [|m|m]; simplintrosauto with real.
  - (* + + *)
    rewrite Pos2Nat.inj_add; auto with real.
  - (* + - *)
    now apply powerRZ_pos_sub.
  - (* - + *)
    rewrite Rmult_comm. now apply powerRZ_pos_sub.
  - (* - - *)
    rewrite Pos2Nat.inj_add; auto with real.
    rewrite pow_add; auto with real.
    apply Rinv_mult_distr; apply pow_nonzero; auto.
Qed.
Hint Resolve powerRZ_O powerRZ_1 powerRZ_NOR powerRZ_add: real.

Lemma Zpower_nat_powerRZ :
  forall n m:nat, IZR (Zpower_nat (Z.of_nat n) m) = INR n ^Z Z.of_nat m.
Proof.
  intros n m; elim m; simplauto with real.
  intros m1 H'; rewrite SuccNat2Pos.id_succ; simpl.
  replace (Zpower_nat (Z.of_nat n) (S m1)) with
  (Z.of_nat n * Zpower_nat (Z.of_nat n) m1)%Z.
  rewrite mult_IZR; auto with real.
  repeat rewrite <- INR_IZR_INZ; simpl.
  rewrite H'; simpl.
  case m1; simplauto with real.
  intros m2; rewrite SuccNat2Pos.id_succ; auto.
  unfold Zpower_nat; auto.
Qed.

Lemma Zpower_pos_powerRZ :
  forall n m, IZR (Z.pow_pos n m) = IZR n ^Z Zpos m.
Proof.
  intros.
  rewrite Zpower_pos_nat; simpl.
  induction (Pos.to_nat m).
  easy.
  unfold Zpower_nat; simpl.
  rewrite mult_IZR.
  now rewrite <- IHn0.
Qed.

Lemma powerRZ_lt : forall (x:R) (z:Z), 0 < x -> 0 < x ^Z z.
Proof.
  intros x z; case z; simplauto with real.
Qed.
Hint Resolve powerRZ_lt: real.

Lemma powerRZ_le : forall (x:R) (z:Z), 0 < x -> 0 <= x ^Z z.
Proof.
  intros x z H'; apply Rlt_le; auto with real.
Qed.
Hint Resolve powerRZ_le: real.

Lemma Zpower_nat_powerRZ_absolu :
  forall n m:Z, (0 <= m)%Z -> IZR (Zpower_nat n (Z.abs_nat m)) = IZR n ^Z m.
Proof.
  intros n m; case m; simplauto with zarith.
  intros p H'; elim (Pos.to_nat p); simplauto with zarith.
  intros n0 H'0; rewrite <- H'0; simplauto with zarith.
  rewrite <- mult_IZR; auto.
  intros p H'; absurd (0 <= Zneg p)%Z; auto with zarith.
Qed.

Lemma powerRZ_R1 : forall n:Z, 1 ^Z n = 1.
Proof.
  intros n; case n; simplauto.
  intros p; elim (Pos.to_nat p); simplautointros n0 H'; rewrite H';
    ring.
  intros p; elim (Pos.to_nat p); simpl.
  exact Rinv_1.
  intros n1 H'; rewrite Rinv_mult_distr; try rewrite Rinv_1; try rewrite H';
    auto with real.
Qed.

Local Open Scope Z_scope.

Lemma pow_powerRZ (r : R) (n : nat) :
  (r ^ n)%R = powerRZ r (Z_of_nat n).
Proof.
  induction n; [easy|simpl].
  now rewrite SuccNat2Pos.id_succ.
Qed.

Lemma powerRZ_ind (P : Z -> R -> R -> Prop) :
  (forall x, P 0 x 1%R) ->
  (forall x n, P (Z.of_nat n) x (x ^ n)%R) ->
  (forall x n, P ((-(Z.of_nat n))%Z) x (Rinv (x ^ n))) ->
  forall x (m : Z), P m x (powerRZ x m)%R.
Proof.
  intros ? ? ? x m.
  destruct (intP m) as [Hm|n Hm|n Hm].
  - easy.
  - now rewrite <- pow_powerRZ.
  - unfold powerRZ.
    destruct n as [|n]; [ easy |].
    rewrite Nat2Z.inj_succ, <- Zpos_P_of_succ_nat, Pos2Z.opp_pos.
    now rewrite <- Pos2Z.opp_pos, <- positive_nat_Z.
Qed.

Lemma powerRZ_inv x alpha : (x <> 0)%R -> powerRZ (/ x) alpha = Rinv (powerRZ x alpha).
Proof.
  introsdestruct (intP alpha).
  - now simplrewrite Rinv_1.
  - now rewrite <-!pow_powerRZ, ?Rinv_pow, ?pow_powerRZ.
  - unfold powerRZ.
    destruct (- n).
    + now rewrite Rinv_1.
    + now rewrite Rinv_pow.
    + now rewrite <-Rinv_pow.
Qed.

Lemma powerRZ_neg x : forall alpha, x <> R0 -> powerRZ x (- alpha) = powerRZ (/ x) alpha.
Proof.
  intros [|n|n] H ; simpl.
  - easy.
  - now rewrite Rinv_pow.
  - rewrite Rinv_pow by now apply Rinv_neq_0_compat.
    now rewrite Rinv_involutive.
Qed.

Lemma powerRZ_mult_distr :
  forall m x y, ((0 <= m)%Z \/ (x * y <> 0)%R) ->
           (powerRZ (x*y) m = powerRZ x m * powerRZ y m)%R.
Proof.
  intros m x0 y0 Hmxy.
  destruct (intP m) as [ | | n Hm ].
  - now simplrewrite Rmult_1_l.
  - now rewrite <- !pow_powerRZ, Rpow_mult_distr.
  - destruct Hmxy as [H|H].
    + assert(m = 0) as -> by now omega.
      now rewrite <- Hm, Rmult_1_l.
    + assert(x0 <> 0)%R by now intros ->; apply H; rewrite Rmult_0_l.
      assert(y0 <> 0)%R by now intros ->; apply H; rewrite Rmult_0_r.
      rewrite !powerRZ_neg by assumption.
      rewrite Rinv_mult_distr by assumption.
      now rewrite <- !pow_powerRZ, Rpow_mult_distr.
Qed.

End PowerRZ.

Local Infix "^Z" := powerRZ (at level 30, right associativity) : R_scope.

(*******************************)
(* For easy interface          *)
(*******************************)
(* decimal_exp r z is defined as r 10^z *)

Definition decimal_exp (r:R) (z:Z) : R := (r * 10 ^Z z).


(*******************************)
(** * Sum of n first naturals  *)
(*******************************)
(*********)
Fixpoint sum_nat_f_O (f:nat -> nat) (n:nat) : nat :=
  match n with
    | O => f 0%nat
    | S n' => (sum_nat_f_O f n' + f (S n'))%nat
  end.

(*********)
Definition sum_nat_f (s n:nat) (f:nat -> nat) : nat :=
  sum_nat_f_O (fun x:nat => f (x + s)%nat) (n - s).

(*********)
Definition sum_nat_O (n:nat) : nat := sum_nat_f_O (fun x:nat => x) n.

(*********)
Definition sum_nat (s n:nat) : nat := sum_nat_f s n (fun x:nat => x).

(*******************************)
(** *          Sum             *)
(*******************************)
(*********)
Fixpoint sum_f_R0 (f:nat -> R) (N:nat) : R :=
  match N with
    | O => f 0%nat
    | S i => sum_f_R0 f i + f (S i)
  end.

(*********)
Definition sum_f (s n:nat) (f:nat -> R) : R :=
  sum_f_R0 (fun x:nat => f (x + s)%nat) (n - s).

Lemma GP_finite :
  forall (x:R) (n:nat),
    sum_f_R0 (fun n:nat => x ^ n) n * (x - 1) = x ^ (n + 1) - 1.
Proof.
  introsinduction  n as [| n Hrecn]; simpl.
  ring.
  rewrite Rmult_plus_distr_r; rewrite Hrecn; cut ((n + 1)%nat = S n).
  intro H; rewrite H; simpl; ring.
  omega.
Qed.

Lemma sum_f_R0_triangle :
  forall (x:nat -> R) (n:nat),
    Rabs (sum_f_R0 x n) <= sum_f_R0 (fun i:nat => Rabs (x i)) n.
Proof.
  introsimple induction n; simpl.
  unfold Rle; rightreflexivity.
  intro m; intro;
    apply
      (Rle_trans (Rabs (sum_f_R0 x m + x (S m)))
        (Rabs (sum_f_R0 x m) + Rabs (x (S m)))
        (sum_f_R0 (fun i:nat => Rabs (x i)) m + Rabs (x (S m)))).
  apply Rabs_triang.
  rewrite Rplus_comm;
    rewrite (Rplus_comm (sum_f_R0 (fun i:nat => Rabs (x i)) m) (Rabs (x (S m))));
      apply Rplus_le_compat_l; assumption.
Qed.

(*******************************)
(** *     Distance  in R       *)
(*******************************)

(*********)
Definition R_dist (x y:R) : R := Rabs (x - y).

(*********)
Lemma R_dist_pos : forall x y:R, R_dist x y >= 0.
Proof.
  introsunfold R_dist; unfold Rabs; case (Rcase_abs (x - y));
    intro l.
  unfold Rge; leftapply (Ropp_gt_lt_0_contravar (x - y) l).
  trivial.
Qed.

(*********)
Lemma R_dist_sym : forall x y:R, R_dist x y = R_dist y x.
Proof.
  unfold R_dist; intros; split_Rabs; try ring.
  generalize (Ropp_gt_lt_0_contravar (y - x) Hlt0); intro;
    rewrite (Ropp_minus_distr y x) in H; generalize (Rlt_asym (x - y) 0 Hlt);
      introunfold Rgt in H; exfalso; auto.
  generalize (minus_Rge y x Hge0); introgeneralize (minus_Rge x y Hge); intro;
    generalize (Rge_antisym x y H0 H); introrewrite H1;
      ring.
Qed.

(*********)
Lemma R_dist_refl : forall x y:R, R_dist x y = 0 <-> x = y.
Proof.
  unfold R_dist; intros; split_Rabs; splitintros.
  rewrite (Ropp_minus_distr x y) in H; symmetry;
    apply (Rminus_diag_uniq y x H).
  rewrite (Ropp_minus_distr x y); generalize (eq_sym H); intro;
    apply (Rminus_diag_eq y x H0).
  apply (Rminus_diag_uniq x y H).
  apply (Rminus_diag_eq x y H).
Qed.

Lemma R_dist_eq : forall x:R, R_dist x x = 0.
Proof.
  unfold R_dist; intros; split_Rabs; intros; ring.
Qed.

(***********)
Lemma R_dist_tri : forall x y z:R, R_dist x y <= R_dist x z + R_dist z y.
Proof.
  introsunfold R_dist; replace (x - y) with (x - z + (z - y));
    [ apply (Rabs_triang (x - z) (z - y)) | ring ].
Qed.

(*********)
Lemma R_dist_plus :
  forall a b c d:R, R_dist (a + c) (b + d) <= R_dist a b + R_dist c d.
Proof.
  introsunfold R_dist;
    replace (a + c - (b + d)) with (a - b + (c - d)).
  exact (Rabs_triang (a - b) (c - d)).
  ring.
Qed.

Lemma R_dist_mult_l : forall a b c,
  R_dist (a * b) (a * c) = Rabs a * R_dist b c.
Proof.
unfold R_dist. 
intros a b c; rewrite <- Rmult_minus_distr_l, Rabs_mult; reflexivity.
Qed.

(*******************************)
(** *     Infinite Sum          *)
(*******************************)
(*********)
Definition infinite_sum (s:nat -> R) (l:R) : Prop :=
  forall eps:R,
    eps > 0 ->
    exists N : nat,
      (forall n:nat, (n >= N)%nat -> R_dist (sum_f_R0 s n) l < eps).

(** Compatibility with previous versions *)
Notation infinit_sum := infinite_sum (only parsing).

¤ Dauer der Verarbeitung: 0.16 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