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

Quellcode-Bibliothek

© Kompilation durch diese Firma

[Weder Korrektheit noch Funktionsfähigkeit der Software werden zugesichert.]

Datei: Compare.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)         *)
(************************************************************************)

Require Import Rbase.
Require Import Rfunctions.
Require Import Compare.
Local Open Scope R_scope.

Implicit Type r : R.

(* classical is needed for [Un_cv_crit] *)
(*********************************************************)
(** *        Definition of sequence and properties       *)
(*                                                       *)
(*********************************************************)

Section sequence.

(*********)
  Variable Un : nat -> R.

(*********)
  Fixpoint Rmax_N (N:nat) : R :=
    match N with
      | O => Un 0
      | S n => Rmax (Un (S n)) (Rmax_N n)
    end.

(*********)
  Definition EUn r : Prop :=  exists i : nat, r = Un i.

(*********)
  Definition Un_cv (l:R) : Prop :=
    forall eps:R,
      eps > 0 ->
      exists N : nat, (forall n:nat, (n >= N)%nat -> R_dist (Un n) l < eps).

(*********)
  Definition Cauchy_crit : Prop :=
    forall eps:R,
      eps > 0 ->
      exists N : nat,
        (forall n m:nat,
          (n >= N)%nat -> (m >= N)%nat -> R_dist (Un n) (Un m) < eps).

(*********)
  Definition Un_growing : Prop := forall n:nat, Un n <= Un (S n).

(*********)
  Lemma EUn_noempty :  exists r : R, EUn r.
  Proof.
    unfold EUn; split with (Un 0); split with 0%nat; trivial.
  Qed.

(*********)
  Lemma Un_in_EUn : forall n:nat, EUn (Un n).
  Proof.
    introunfold EUn; split with n; trivial.
  Qed.

(*********)
  Lemma Un_bound_imp :
    forall x:R, (forall n:nat, Un n <= x) -> is_upper_bound EUn x.
  Proof.
    introsunfold is_upper_bound; introsunfold EUn in H0; elim H0;
      clear H0; introsgeneralize (H x1); introrewrite <- H0 in H1;
        trivial.
  Qed.

(*********)
  Lemma growing_prop :
    forall n m:nat, Un_growing -> (n >= m)%nat -> Un n >= Un m.
  Proof.
    double induction n m; intros.
    unfold Rge; righttrivial.
    exfalso; unfold ge in H1; generalize (le_Sn_O n0); introauto.
    cut (n0 >= 0)%nat.
    generalize H0; introsunfold Un_growing in H0;
      apply
        (Rge_trans (Un (S n0)) (Un n0) (Un 0) (Rle_ge (Un n0) (Un (S n0)) (H0 n0))
          (H 0%nat H2 H3)).
    elim n0; auto.
    elim (lt_eq_lt_dec n1 n0); intro y.
    elim y; clear y; intro y.
    unfold ge in H2; generalize (le_not_lt n0 n1 (le_S_n n0 n1 H2)); intro;
      exfalso; auto.
    rewrite y; unfold Rge; righttrivial.
    unfold ge in H0; generalize (H0 (S n0) H1 (lt_le_S n0 n1 y)); intro;
      unfold Un_growing in H1;
        apply
          (Rge_trans (Un (S n1)) (Un n1) (Un (S n0))
            (Rle_ge (Un n1) (Un (S n1)) (H1 n1)) H3).
  Qed.

(*********)
  Lemma Un_cv_crit_lub : Un_growing -> forall l, is_lub EUn l -> Un_cv l.
  Proof.
    intros Hug l H eps Heps.

    cut (exists N, Un N > l - eps).
    intros (N, H3).
    exists N.
    intros n H4.
    unfold R_dist.
    rewrite Rabs_left1, Ropp_minus_distr.
    apply Rplus_lt_reg_l with (Un n - eps).
    apply Rlt_le_trans with (Un N).
    now replace (Un n - eps + (l - Un n)) with (l - eps) by ring.
    replace (Un n - eps + eps) with (Un n) by ring.
    apply Rge_le.
    now apply growing_prop.
    apply Rle_minus.
    apply (proj1 H).
    now exists n.

    assert (Hi2pn: forall n, 0 < (/ 2)^n).
    clear. intros n.
    apply pow_lt.
    apply Rinv_0_lt_compat.
    now apply (IZR_lt 0 2).

    pose (test := fun n => match Rle_lt_dec (Un n) (l - eps) with left _ => false | right _ => true end).
    pose (sum := let fix aux n := match n with S n' => aux n' +
      if test n' then (/ 2)^n else 0 | O => 0 end in aux).

    assert (Hsum': forall m n, sum m <= sum (m + n)%nat <= sum m + (/2)^m - (/2)^(m + n)).
    clearbody test.
    clear -Hi2pn.
    intros m.
    induction n.
    rewrite<- plus_n_O.
    ring_simplify (sum m + (/ 2) ^ m - (/ 2) ^ m).
    split ; apply Rle_refl.
    rewrite <- plus_n_Sm.
    simpl.
    split.
    apply Rle_trans with (sum (m + n)%nat + 0).
    rewrite Rplus_0_r.
    apply IHn.
    apply Rplus_le_compat_l.
    case (test (m + n)%nat).
    apply Rlt_le.
    exact (Hi2pn (S (m + n))).
    apply Rle_refl.
    apply Rle_trans with (sum (m + n)%nat + / 2 * (/ 2) ^ (m + n)).
    apply Rplus_le_compat_l.
    case (test (m + n)%nat).
    apply Rle_refl.
    apply Rlt_le.
    exact (Hi2pn (S (m + n))).
    apply Rplus_le_reg_r with (-(/ 2 * (/ 2) ^ (m + n))).
    rewrite Rplus_assoc, Rplus_opp_r, Rplus_0_r.
    apply Rle_trans with (1 := proj2 IHn).
    apply Req_le.
    field.

    assert (Hsum: forall n, 0 <= sum n <= 1 - (/2)^n).
    intros N.
    generalize (Hsum' O N).
    simpl.
    now rewrite Rplus_0_l.

    destruct (completeness (fun x : R => exists n : nat, x = sum n)) as (m, (Hm1, Hm2)).
    exists 1.
    intros x (n, H1).
    rewrite H1.
    apply Rle_trans with (1 := proj2 (Hsum n)).
    apply Rlt_le.
    apply Rplus_lt_reg_l with ((/2)^n - 1).
    now ring_simplify.
    exists 0. now exists O.

    destruct (Rle_or_lt m 0) as [[Hm|Hm]|Hm].
    elim Rlt_not_le with (1 := Hm).
    apply Hm1.
    now exists O.

    assert (Hs0: forall n, sum n = 0).
    intros n.
    specialize (Hm1 (sum n) (ex_intro _ _ (eq_refl _))).
    apply Rle_antisym with (2 := proj1 (Hsum n)).
    now rewrite <- Hm.

    assert (Hub: forall n, Un n <= l - eps).
    intros n.
    generalize (eq_refl (sum (S n))).
    simpl sum at 1.
    rewrite 2!Hs0, Rplus_0_l.
    unfold test.
    destruct Rle_lt_dec. easy.
    intros H'.
    elim Rgt_not_eq with (2 := H').
    exact (Hi2pn (S n)).

    clear -Heps H Hub.
    destruct H as (_, H).
    refine (False_ind _ (Rle_not_lt _ _ (H (l - eps) _) _)).
    intros x (n, H1).
    now rewrite H1.
    apply Rplus_lt_reg_l with (eps - l).
    now ring_simplify.

    assert (Rabs (/2) < 1).
    rewrite Rabs_pos_eq.
    rewrite <- Rinv_1.
    apply Rinv_lt_contravar.
    rewrite Rmult_1_l.
    now apply (IZR_lt 0 2).
    now apply (IZR_lt 1 2).
    apply Rlt_le.
    apply Rinv_0_lt_compat.
    now apply (IZR_lt 0 2).
    destruct (pow_lt_1_zero (/2) H0 m Hm) as [N H4].
    exists N.
    apply Rnot_le_lt.
    intros H5.
    apply Rlt_not_le with (1 := H4 _ (le_refl _)).
    rewrite Rabs_pos_eq. 2: now apply Rlt_le.
    apply Hm2.
    intros x (n, H6).
    rewrite H6. clear x H6.

    assert (Hs: sum N = 0).
    clear H4.
    induction N.
    easy.
    simpl.
    assert (H6: Un N <= l - eps).
    apply Rle_trans with (2 := H5).
    apply Rge_le.
    apply growing_prop ; try easy.
    apply le_n_Sn.
    rewrite (IHN H6), Rplus_0_l.
    unfold test.
    destruct Rle_lt_dec as [Hle|Hlt].
    apply eq_refl.
    now elim Rlt_not_le with (1 := Hlt).

    destruct (le_or_lt N n) as [Hn|Hn].
    rewrite le_plus_minus with (1 := Hn).
    apply Rle_trans with (1 := proj2 (Hsum' N (n - N)%nat)).
    rewrite Hs, Rplus_0_l.
    set (k := (N + (n - N))%nat).
    apply Rlt_le.
    apply Rplus_lt_reg_l with ((/2)^k - (/2)^N).
    now ring_simplify.
    apply Rle_trans with (sum N).
    rewrite le_plus_minus with (1 := Hn).
    rewrite plus_Snm_nSm.
    exact (proj1 (Hsum' _ _)).
    rewrite Hs.
    now apply Rlt_le.
  Qed.

(*********)
  Lemma Un_cv_crit : Un_growing -> bound EUn ->  exists l : R, Un_cv l.
  Proof.
    intros Hug Heub.
    exists (proj1_sig (completeness EUn Heub EUn_noempty)).
    destruct (completeness EUn Heub EUn_noempty) as (l, H).
    now apply Un_cv_crit_lub.
  Qed.

(*********)
  Lemma finite_greater :
    forall N:nat,  exists M : R, (forall n:nat, (n <= N)%nat -> Un n <= M).
  Proof.
    introinduction  N as [| N HrecN].
    split with (Un 0); introsrewrite (le_n_O_eq n H);
      apply (Req_le (Un n) (Un n) (eq_refl (Un n))).
    elim HrecN; clear HrecN; introssplit with (Rmax (Un (S N)) x); intros;
      elim (Rmax_Rle (Un (S N)) x (Un n)); intros; clear H1;
        inversion H0.
    rewrite <- H1; rewrite <- H1 in H2;
      apply
        (H2 (or_introl (Un n <= x) (Req_le (Un n) (Un n) (eq_refl (Un n))))).
    apply (H2 (or_intror (Un n <= Un (S N)) (H n H3))).
  Qed.

(*********)
  Lemma cauchy_bound : Cauchy_crit -> bound EUn.
  Proof.
    unfold Cauchy_crit, bound; introsunfold is_upper_bound;
      unfold Rgt in H; elim (H 1 Rlt_0_1); clear H; intros;
        generalize (H x); introgeneralize (le_dec x); intro;
          elim (finite_greater x); introssplit with (Rmax x0 (Un x + 1));
            clear H; introsunfold EUn in H; elim H; clear H;
              introselim (H1 x2); clear H1; intro y.
    unfold ge in H0; generalize (H0 x2 (le_n x) y); clear H0; intro;
      rewrite <- H in H0; unfold R_dist in H0; elim (Rabs_def2 (Un x - x1) 1 H0);
        clear H0; introselim (Rmax_Rle x0 (Un x + 1) x1);
          introsapply H4; clear H3 H4; right; clear H H0 y;
            apply (Rlt_le x1 (Un x + 1)); generalize (Rlt_minus (-1) (Un x - x1) H1);
              clear H1; introapply (Rminus_lt x1 (Un x + 1));
                cut (-1 - (Un x - x1) = x1 - (Un x + 1));
                  [ introrewrite H0 in H; assumption | ring ].
    generalize (H2 x2 y); clear H2 H0; introrewrite <- H in H0;
      elim (Rmax_Rle x0 (Un x + 1) x1); intros; clear H1;
        apply H2; left; assumption.
  Qed.

End sequence.

(*****************************************************************)
(**  *       Definition of Power Series and properties           *)
(*                                                               *)
(*****************************************************************)

Section Isequence.

(*********)
  Variable An : nat -> R.

(*********)
  Definition Pser (x l:R) : Prop := infinite_sum (fun n:nat => An n * x ^ n) l.

End Isequence.

Lemma GP_infinite :
  forall x:R, Rabs x < 1 -> Pser (fun n:nat => 1) x (/ (1 - x)).
Proof.
  introsunfold Pser; unfold infinite_sum; intros;
    elim (Req_dec x 0).
  introsexists 0%nat; introsrewrite H1; rewrite Rminus_0_r; rewrite Rinv_1;
    cut (sum_f_R0 (fun n0:nat => 1 * 0 ^ n0) n = 1).
  introsrewrite H3; rewrite R_dist_eq; auto.
  elim n; simpl.
  ring.
  introsrewrite H3; ring.
  introcut (0 < eps * (Rabs (1 - x) * Rabs (/ x))).
  introelim (pow_lt_1_zero x H (eps * (Rabs (1 - x) * Rabs (/ x))) H2);
    intro N; introsexists N; intros;
      cut
        (sum_f_R0 (fun n0:nat => 1 * x ^ n0) n = sum_f_R0 (fun n0:nat => x ^ n0) n).
  introsrewrite H5;
    apply
      (Rmult_lt_reg_l (Rabs (1 - x))
        (R_dist (sum_f_R0 (fun n0:nat => x ^ n0) n) (/ (1 - x))) eps).
  apply Rabs_pos_lt.
  apply Rminus_eq_contra.
  apply Rlt_dichotomy_converse.
  rightunfold Rgt.
  apply (Rle_lt_trans x (Rabs x) 1).
  apply RRle_abs.
  assumption.
  unfold R_dist; rewrite <- Rabs_mult.
  rewrite Rmult_minus_distr_l.
  cut
    ((1 - x) * sum_f_R0 (fun n0:nat => x ^ n0) n =
      - (sum_f_R0 (fun n0:nat => x ^ n0) n * (x - 1))).
  introrewrite H6.
  rewrite GP_finite.
  rewrite Rinv_r.
  cut (- (x ^ (n + 1) - 1) - 1 = - x ^ (n + 1)).
  introrewrite H7.
  rewrite Rabs_Ropp; cut ((n + 1)%nat = S n); auto.
  intro H8; rewrite H8; simplrewrite Rabs_mult;
    apply
      (Rlt_le_trans (Rabs x * Rabs (x ^ n))
        (Rabs x * (eps * (Rabs (1 - x) * Rabs (/ x)))) (
          Rabs (1 - x) * eps)).
  apply Rmult_lt_compat_l.
  apply Rabs_pos_lt.
  assumption.
  auto.
  cut
    (Rabs x * (eps * (Rabs (1 - x) * Rabs (/ x))) =
      Rabs x * Rabs (/ x) * (eps * Rabs (1 - x))).
  clear H8; introsrewrite H8; rewrite <- Rabs_mult; rewrite Rinv_r.
  rewrite Rabs_R1; cut (1 * (eps * Rabs (1 - x)) = Rabs (1 - x) * eps).
  introsrewrite H9; unfold Rle; rightreflexivity.
  ring.
  assumption.
  ring.
  ring.
  ring.
  apply Rminus_eq_contra.
  apply Rlt_dichotomy_converse.
  rightunfold Rgt.
  apply (Rle_lt_trans x (Rabs x) 1).
  apply RRle_abs.
  assumption.
  ring; ring.
  elim n; simpl.
  ring.
  introsrewrite H5.
  ring.
  apply Rmult_lt_0_compat.
  auto.
  apply Rmult_lt_0_compat.
  apply Rabs_pos_lt.
  apply Rminus_eq_contra.
  apply Rlt_dichotomy_converse.
  rightunfold Rgt.
  apply (Rle_lt_trans x (Rabs x) 1).
  apply RRle_abs.
  assumption.
  apply Rabs_pos_lt.
  apply Rinv_neq_0_compat.
  assumption.
Qed.

(* Convergence is preserved after shifting the indices. *)
Lemma CV_shift : 
  forall f k l, Un_cv (fun n => f (n + k)%nat) l -> Un_cv f l.
intros f' k l cvfk eps ep; destruct (cvfk eps ep) as [N Pn].
exists (N + k)%nat; intros n nN; assert (tmp: (n = (n - k) + k)%nat).
 rewrite Nat.sub_add;[ | apply le_trans with (N + k)%nat]; auto with arith.
rewrite tmp; apply Pn; apply Nat.le_add_le_sub_r; assumption.
Qed.

Lemma CV_shift' : 
  forall f k l, Un_cv f l -> Un_cv (fun n => f (n + k)%nat) l.
intros f' k l cvf eps ep; destruct (cvf eps ep) as [N Pn].
exists N; intros n nN; apply Pn; auto with arith.
Qed.

(* Growing property is preserved after shifting the indices (one way only) *)

Lemma Un_growing_shift : 
   forall k un, Un_growing un -> Un_growing (fun n => un (n + k)%nat).
Proof.
intros k un P n; apply P.
Qed.

¤ Dauer der Verarbeitung: 0.22 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