products/sources/formale sprachen/Isabelle/HOL/Data_Structures image not shown  

Quellcode-Bibliothek

© Kompilation durch diese Firma

[Weder Korrektheit noch Funktionsfähigkeit der Software werden zugesichert.]

Datei: Zpower.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 Wf_nat ZArith_base Omega Zcomplements.
Require Export Zpow_def.
Local Open Scope Z_scope.

(** * Power functions over [Z] *)

(** Nota : this file is mostly deprecated. The definition of [Z.pow]
    and its usual properties are now provided by module [BinInt.Z].
    Powers of 2 are also available there (see [Z.shiftl] and [Z.shiftr]).
    Only remain here:
     - [Zpower_nat] : a power function with a [nat] exponent
     - old-style powers of two, such as [two_p]
     - [Zdiv_rest] : a division + modulo when the divisor is a power of 2
*)



(** [Zpower_nat z n] is the n-th power of [z] when [n] is an unary
    integer (type [nat]) and [z] a signed integer (type [Z]) *)


Definition Zpower_nat (z:Z) := nat_rect _ 1 (fun _ => Z.mul z).

Lemma Zpower_nat_0_r z : Zpower_nat z 0 = 1.
ProofreflexivityQed.

Lemma Zpower_nat_succ_r n z : Zpower_nat z (S n) = z * (Zpower_nat z n).
ProofreflexivityQed.

(** [Zpower_nat_is_exp] says [Zpower_nat] is a morphism for
    [plus : nat->nat->nat] and [Z.mul : Z->Z->Z] *)


Lemma Zpower_nat_is_exp :
  forall (n m:nat) (z:Z),
    Zpower_nat z (n + m) = Zpower_nat z n * Zpower_nat z m.
Proof.
 induction n.
 - introsnow rewrite Zpower_nat_0_r, Z.mul_1_l.
 - introssimplnow rewrite IHn, Z.mul_assoc.
Qed.

(** Conversions between powers of unary and binary integers *)

Lemma Zpower_pos_nat (z : Z) (p : positive) :
  Z.pow_pos z p = Zpower_nat z (Pos.to_nat p).
Proof.
  apply Pos2Nat.inj_iter.
Qed.

Lemma Zpower_nat_Z (z : Z) (n : nat) :
  Zpower_nat z n = z ^ (Z.of_nat n).
Proof.
 induction n. trivial.
 rewrite Zpower_nat_succ_r, Nat2Z.inj_succ, Z.pow_succ_r.
 now f_equal.
 apply Nat2Z.is_nonneg.
Qed.

Theorem Zpower_nat_Zpower z n : 0 <= n ->
 z^n = Zpower_nat z (Z.abs_nat n).
Proof.
 introsnow rewrite Zpower_nat_Z, Zabs2Nat.id_abs, Z.abs_eq.
Qed.

(** The function [(Z.pow_pos z)] is a morphism
   for [Pos.add : positive->positive->positive] and [Z.mul : Z->Z->Z] *)


Lemma Zpower_pos_is_exp (n m : positive)(z:Z) :
  Z.pow_pos z (n + m) = Z.pow_pos z n * Z.pow_pos z m.
Proof.
 now apply (Z.pow_add_r z (Zpos n) (Zpos m)).
Qed.

Hint Immediate Zpower_nat_is_exp Zpower_pos_is_exp : zarith.
Hint Unfold Z.pow_pos Zpower_nat: zarith.

Theorem Zpower_exp x n m :
  n >= 0 -> m >= 0 -> x ^ (n + m) = x ^ n * x ^ m.
Proof.
 Z.swap_greater. apply Z.pow_add_r.
Qed.

Section Powers_of_2.

  (** * Powers of 2 *)

  (** For the powers of two, that will be widely used, a more direct
      calculus is possible. [shift n m] computes [2^n * m], i.e.
      [m] shifted by [n] positions *)


  Definition shift_nat (n:nat) (z:positive) := nat_rect _ z (fun _ => xO) n.
  Definition shift_pos (n z:positive) := Pos.iter xO z n.
  Definition shift (n:Z) (z:positive) :=
    match n with
      | Z0 => z
      | Zpos p => Pos.iter xO z p
      | Zneg p => z
    end.

  Definition two_power_nat (n:nat) := Zpos (shift_nat n 1).
  Definition two_power_pos (x:positive) := Zpos (shift_pos x 1).

  Definition two_p (x:Z) :=
    match x with
      | Z0 => 1
      | Zpos y => two_power_pos y
      | Zneg y => 0
    end.

  (** Equivalence with notions defined in BinInt *)

  Lemma shift_nat_equiv n p : shift_nat n p = Pos.shiftl_nat p n.
  ProofreflexivityQed.

  Lemma shift_pos_equiv n p : shift_pos n p = Pos.shiftl p (Npos n).
  ProofreflexivityQed.

  Lemma shift_equiv n p : 0<=n -> Zpos (shift n p) = Z.shiftl (Zpos p) n.
  Proof.
   destruct n.
   - trivial.
   - simplintrosnow apply Pos.iter_swap_gen.
   - now destruct 1.
  Qed.

  Lemma two_power_nat_equiv n : two_power_nat n = 2 ^ (Z.of_nat n).
  Proof.
   induction n.
   - trivial.
   - now rewrite Nat2Z.inj_succ, Z.pow_succ_r, <- IHn by apply Nat2Z.is_nonneg.
  Qed.

  Lemma two_power_pos_equiv p : two_power_pos p = 2 ^ Zpos p.
  Proof.
   now apply Pos.iter_swap_gen.
  Qed.

  Lemma two_p_equiv x : two_p x = 2 ^ x.
  Proof.
   destruct x; trivialapply two_power_pos_equiv.
  Qed.

  (** Properties of these old versions of powers of two *)

  Lemma two_power_nat_S n : two_power_nat (S n) = 2 * two_power_nat n.
  ProofreflexivityQed.

  Lemma shift_nat_plus n m x :
    shift_nat (n + m) x = shift_nat n (shift_nat m x).
  Proof.
   induction n; simplnow f_equal.
  Qed.

  Theorem shift_nat_correct n x :
    Zpos (shift_nat n x) = Zpower_nat 2 n * Zpos x.
  Proof.
   induction n.
   - trivial.
   - now rewrite Zpower_nat_succ_r, <- Z.mul_assoc, <- IHn.
  Qed.

  Theorem two_power_nat_correct n : two_power_nat n = Zpower_nat 2 n.
  Proof.
   now rewrite two_power_nat_equiv, Zpower_nat_Z.
  Qed.

  Lemma shift_pos_nat p x : shift_pos p x = shift_nat (Pos.to_nat p) x.
  Proof.
   apply Pos2Nat.inj_iter.
  Qed.

  Lemma two_power_pos_nat p : two_power_pos p = two_power_nat (Pos.to_nat p).
  Proof.
   unfold two_power_pos. now rewrite shift_pos_nat.
  Qed.

  Theorem shift_pos_correct p x :
    Zpos (shift_pos p x) = Z.pow_pos 2 p * Zpos x.
  Proof.
   now rewrite shift_pos_nat, Zpower_pos_nat, shift_nat_correct.
  Qed.

  Theorem two_power_pos_correct x : two_power_pos x = Z.pow_pos 2 x.
  Proof.
   apply two_power_pos_equiv.
  Qed.

  Theorem two_power_pos_is_exp x y :
   two_power_pos (x + y) = two_power_pos x * two_power_pos y.
  Proof.
    rewrite 3 two_power_pos_equiv. now apply (Z.pow_add_r 2 (Zpos x) (Zpos y)).
  Qed.

  Lemma two_p_correct x : two_p x = 2^x.
  Proof (two_p_equiv x).

  Theorem two_p_is_exp x y :
    0 <= x -> 0 <= y -> two_p (x + y) = two_p x * two_p y.
  Proof.
    rewrite !two_p_equiv. apply Z.pow_add_r.
  Qed.

  Lemma two_p_gt_ZERO x : 0 <= x -> two_p x > 0.
  Proof.
   Z.swap_greater. rewrite two_p_equiv. now apply Z.pow_pos_nonneg.
  Qed.

  Lemma two_p_S x : 0 <= x -> two_p (Z.succ x) = 2 * two_p x.
  Proof.
   rewrite !two_p_equiv. now apply Z.pow_succ_r.
  Qed.

  Lemma two_p_pred x : 0 <= x -> two_p (Z.pred x) < two_p x.
  Proof.
   rewrite !two_p_equiv. introsapply Z.pow_lt_mono_r; auto with zarith.
  Qed.

End Powers_of_2.

Hint Resolve two_p_gt_ZERO: zarith.
Hint Immediate two_p_pred two_p_S: zarith.

Section power_div_with_rest.

  (** * Division by a power of two. *)

  (** To [x:Z] and [p:positive], [q],[r] are associated such that
      [x = 2^p.q + r] and [0 <= r < 2^p] *)


  (** Invariant: [d*q + r = d'*q + r /\ d' = 2*d /\ 0<=r<d /\ 0<=r'<d'] *)
  Definition Zdiv_rest_aux (qrd:Z * Z * Z) :=
    let '(q,r,d) := qrd in
      (match q with
  | Z0 => (0, r)
  | Zpos xH => (0, d + r)
  | Zpos (xI n) => (Zpos n, d + r)
  | Zpos (xO n) => (Zpos n, r)
  | Zneg xH => (-1, d + r)
  | Zneg (xI n) => (Zneg n - 1, d + r)
  | Zneg (xO n) => (Zneg n, r)
       end, 2 * d).

  Definition Zdiv_rest (x:Z) (p:positive) :=
    let (qr, d) := Pos.iter Zdiv_rest_aux (x, 0, 1) p in qr.

  Lemma Zdiv_rest_correct1 (x:Z) (p:positive) :
    let (_, d) := Pos.iter Zdiv_rest_aux (x, 0, 1) p in
    d = two_power_pos p.
  Proof.
   rewrite Pos2Nat.inj_iter, two_power_pos_nat.
   induction (Pos.to_nat p); simpltrivial.
   destruct (nat_rect _ _ _ _) as ((q,r),d).
   unfold Zdiv_rest_aux. rewrite two_power_nat_S; now f_equal.
  Qed.

  Lemma Zdiv_rest_correct2 (x:Z) (p:positive) :
    let '(q,r,d) := Pos.iter Zdiv_rest_aux (x, 0, 1) p in
    x = q * d + r /\ 0 <= r < d.
  Proof.
   apply Pos.iter_invariant; [|omega].
   intros ((q,r),d) (H,H'). unfold Zdiv_rest_aux.
   destruct q as [ |[q|q| ]|[q|q| ]]; try omega.
   - rewrite Pos2Z.inj_xI, Z.mul_add_distr_r in H.
     rewrite Z.mul_shuffle3, Z.mul_assoc. omega.
   - rewrite Pos2Z.inj_xO in H.
     rewrite Z.mul_shuffle3, Z.mul_assoc. omega.
   - rewrite Pos2Z.neg_xI, Z.mul_sub_distr_r in H.
     rewrite Z.mul_sub_distr_r, Z.mul_shuffle3, Z.mul_assoc. omega.
   - rewrite Pos2Z.neg_xO in H.
     rewrite Z.mul_shuffle3, Z.mul_assoc. omega.
  Qed.

  (** Old-style rich specification by proof of existence *)

  Inductive Zdiv_rest_proofs (x:Z) (p:positive) : Set :=
    Zdiv_rest_proof :
    forall q r:Z,
      x = q * two_power_pos p + r ->
      0 <= r -> r < two_power_pos p -> Zdiv_rest_proofs x p.

  Lemma Zdiv_rest_correct (x:Z) (p:positive) : Zdiv_rest_proofs x p.
  Proof.
    generalize (Zdiv_rest_correct1 x p); generalize (Zdiv_rest_correct2 x p).
    destruct (Pos.iter Zdiv_rest_aux (x, 0, 1) p) as ((q,r),d).
    intros (H1,(H2,H3)) ->. now exists q r.
  Qed.

  (** Direct correctness of [Zdiv_rest] *)

  Lemma Zdiv_rest_ok x p :
    let (q,r) := Zdiv_rest x p in
    x = q * 2^(Zpos p) + r /\ 0 <= r < 2^(Zpos p).
  Proof.
   unfold Zdiv_rest.
   generalize (Zdiv_rest_correct1 x p); generalize (Zdiv_rest_correct2 x p).
   destruct (Pos.iter Zdiv_rest_aux (x, 0, 1) p) as ((q,r),d).
   intros H ->. now rewrite two_power_pos_equiv in H.
  Qed.

  (** Equivalence with [Z.shiftr] *)

  Lemma Zdiv_rest_shiftr x p :
   fst (Zdiv_rest x p) = Z.shiftr x (Zpos p).
  Proof.
   generalize (Zdiv_rest_ok x p). destruct (Zdiv_rest x p) as (q,r).
   intros (H,H'). simpl.
   rewrite Z.shiftr_div_pow2 by easy.
   apply Z.div_unique_pos with r; trivialnow rewrite Z.mul_comm.
  Qed.

End power_div_with_rest.

¤ Dauer der Verarbeitung: 0.15 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