products/Sources/formale Sprachen/Coq/theories/Numbers/Integer/Abstract image not shown  

Quellcode-Bibliothek

© Kompilation durch diese Firma

[Weder Korrektheit noch Funktionsfähigkeit der Software werden zugesichert.]

Datei: arm.ad   Sprache: Coq

Untersuchung 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
 Bool ZAxioms ZMulOrder ZPow ZDivFloor ZSgnAbs ZParity NZLog.

(** Derived properties of bitwise operations *)

Module Type ZBitsProp
 (Import A : ZAxiomsSig')
 (Import B : ZMulOrderProp A)
 (Import C : ZParityProp A B)
 (Import D : ZSgnAbsProp A B)
 (Import E : ZPowProp A B C D)
 (Import F : ZDivProp A B D)
 (Import G : NZLog2Prop A A A B E).

Include BoolEqualityFacts A.

Ltac order_nz := try apply pow_nonzero; order'.
Ltac order_pos' := try apply abs_nonneg; order_pos.
Hint Rewrite div_0_l mod_0_l div_1_r mod_1_r : nz.

(** Some properties of power and division *)

Lemma pow_sub_r : forall a b c, a~=0 -> 0<=c<=b -> a^(b-c) == a^b / a^c.
Proof.
 intros a b c Ha (H,H'). rewrite <- (sub_simpl_r b c) at 2.
 rewrite pow_add_r; trivial.
 rewrite div_mul. reflexivity.
 now apply pow_nonzero.
 now apply le_0_sub.
Qed.

Lemma pow_div_l : forall a b c, b~=0 -> 0<=c -> a mod b == 0 ->
 (a/b)^c == a^c / b^c.
Proof.
 intros a b c Hb Hc H. rewrite (div_mod a b Hb) at 2.
 rewrite H, add_0_r, pow_mul_l, mul_comm, div_mul. reflexivity.
 now apply pow_nonzero.
Qed.

(** An injection from bits [true] and [false] to numbers 1 and 0.
    We declare it as a (local) coercion for shorter statements. *)


Definition b2z (b:bool) := if b then 1 else 0.
Local Coercion b2z : bool >-> t.

Instance b2z_wd : Proper (Logic.eq ==> eq) b2z := _.

Lemma exists_div2 a : exists a' (b:bool), a == 2*a' + b.
Proof.
 elim (Even_or_Odd a); [intros (a',H)| intros (a',H)].
 exists a'. exists false. now nzsimpl.
 exists a'. exists true. now simpl.
Qed.

(** We can compact [testbit_odd_0] [testbit_even_0]
    [testbit_even_succ] [testbit_odd_succ] in only two lemmas. *)


Lemma testbit_0_r a (b:bool) : testbit (2*a+b) 0 = b.
Proof.
 destruct b; simplrewrite ?add_0_r.
 apply testbit_odd_0.
 apply testbit_even_0.
Qed.

Lemma testbit_succ_r a (b:bool) n : 0<=n ->
 testbit (2*a+b) (succ n) = testbit a n.
Proof.
 destruct b; simplrewrite ?add_0_r.
 now apply testbit_odd_succ.
 now apply testbit_even_succ.
Qed.

(** Alternative characterisations of [testbit] *)

(** This concise equation could have been taken as specification
   for testbit in the interface, but it would have been hard to
   implement with little initial knowledge about div and mod *)


Lemma testbit_spec' a n : 0<=n -> a.[n] == (a / 2^n) mod 2.
Proof.
 intro Hn. revert a. apply le_ind with (4:=Hn). 
   solve_proper.
 intros a. nzsimpl.
 destruct (exists_div2 a) as (a' & b & H). rewrite H at 1.
 rewrite testbit_0_r. apply mod_unique with a'; trivial.
 leftdestruct b; splitsimpl; order'.
 clear n Hn. intros n Hn IH a.
 destruct (exists_div2 a) as (a' & b & H). rewrite H at 1.
 rewrite testbit_succ_r, IH by trivial. f_equiv.
 rewrite pow_succ_r, <- div_div by order_pos. f_equiv.
 apply div_unique with b; trivial.
 leftdestruct b; splitsimpl; order'.
Qed.

(** This characterisation that uses only basic operations and
   power was initially taken as specification for testbit.
   We describe [a] as having a low part and a high part, with
   the corresponding bit in the middle. This characterisation
   is moderatly complex to implement, but also moderately
   usable... *)


Lemma testbit_spec a n : 0<=n ->
  exists l h, 0<=l<2^n /\ a == l + (a.[n] + 2*h)*2^n.
Proof.
 intro Hn. exists (a mod 2^n). exists (a / 2^n / 2). split.
 apply mod_pos_bound; order_pos.
 rewrite add_comm, mul_comm, (add_comm a.[n]).
 rewrite (div_mod a (2^n)) at 1 by order_nz. do 2 f_equiv.
 rewrite testbit_spec' by trivialapply div_mod. order'.
Qed.

Lemma testbit_true : forall a n, 0<=n ->
 (a.[n] = true <-> (a / 2^n) mod 2 == 1).
Proof.
 intros a n Hn.
 rewrite <- testbit_spec' by trivial.
 destruct a.[n]; splitsimplnow try order'.
Qed.

Lemma testbit_false : forall a n, 0<=n ->
 (a.[n] = false <-> (a / 2^n) mod 2 == 0).
Proof.
 intros a n Hn.
 rewrite <- testbit_spec' by trivial.
 destruct a.[n]; splitsimplnow try order'.
Qed.

Lemma testbit_eqb : forall a n, 0<=n ->
 a.[n] = eqb ((a / 2^n) mod 2) 1.
Proof.
 intros a n Hn.
 apply eq_true_iff_eq. now rewrite testbit_true, eqb_eq.
Qed.

(** Results about the injection [b2z] *)

Lemma b2z_inj : forall (a0 b0:bool), a0 == b0 -> a0 = b0.
Proof.
 intros [|] [|]; simpltrivial; order'.
Qed.

Lemma add_b2z_double_div2 : forall (a0:bool) a, (a0+2*a)/2 == a.
Proof.
 intros a0 a. rewrite mul_comm, div_add by order'.
 now rewrite div_small, add_0_l by (destruct a0; splitsimpl; order').
Qed.

Lemma add_b2z_double_bit0 : forall (a0:bool) a, (a0+2*a).[0] = a0.
Proof.
 intros a0 a. apply b2z_inj.
 rewrite testbit_spec' by order.
 nzsimpl. rewrite mul_comm, mod_add by order'.
 now rewrite mod_small by (destruct a0; splitsimpl; order').
Qed.

Lemma b2z_div2 : forall (a0:bool), a0/2 == 0.
Proof.
 intros a0. rewrite <- (add_b2z_double_div2 a0 0). now nzsimpl.
Qed.

Lemma b2z_bit0 : forall (a0:bool), a0.[0] = a0.
Proof.
 intros a0. rewrite <- (add_b2z_double_bit0 a0 0) at 2. now nzsimpl.
Qed.

(** The specification of testbit by low and high parts is complete *)

Lemma testbit_unique : forall a n (a0:bool) l h,
 0<=l<2^n -> a == l + (a0 + 2*h)*2^n -> a.[n] = a0.
Proof.
 intros a n a0 l h Hl EQ.
 assert (0<=n).
  destruct (le_gt_cases 0 n) as [Hn|Hn]; trivial.
  rewrite pow_neg_r in Hl by trivialdestruct Hl; order.
 apply b2z_inj. rewrite testbit_spec' by trivial.
 symmetryapply mod_unique with h.
 leftdestruct a0; simplsplit; order'.
 symmetryapply div_unique with l.
 now left.
 now rewrite add_comm, (add_comm _ a0), mul_comm.
Qed.

(** All bits of number 0 are 0 *)

Lemma bits_0 : forall n, 0.[n] = false.
Proof.
 intros n.
 destruct (le_gt_cases 0 n).
 apply testbit_false; trivial. nzsimpl; order_nz.
 now apply testbit_neg_r.
Qed.

(** For negative numbers, we are actually doing two's complement *)

Lemma bits_opp : forall a n, 0<=n -> (-a).[n] = negb (P a).[n].
Proof.
 intros a n Hn.
 destruct (testbit_spec (-a) n Hn) as (l & h & Hl & EQ).
 fold (b2z (-a).[n]) in EQ.
 apply negb_sym.
 apply testbit_unique with (2^n-l-1) (-h-1).
 split.
 apply lt_succ_r. rewrite sub_1_r, succ_pred. now apply lt_0_sub.
 apply le_succ_l. rewrite sub_1_r, succ_pred. apply le_sub_le_add_r.
 rewrite <- (add_0_r (2^n)) at 1. now apply add_le_mono_l.
 rewrite <- add_sub_swap, sub_1_r. f_equiv.
 apply opp_inj. rewrite opp_add_distr, opp_sub_distr.
 rewrite (add_comm _ l), <- add_assoc.
 rewrite EQ at 1. apply add_cancel_l.
 rewrite <- opp_add_distr.
 rewrite <- (mul_1_l (2^n)) at 2. rewrite <- mul_add_distr_r.
 rewrite <- mul_opp_l.
 f_equiv.
 rewrite !opp_add_distr.
 rewrite <- mul_opp_r.
 rewrite opp_sub_distr, opp_involutive.
 rewrite (add_comm h).
 rewrite mul_add_distr_l.
 rewrite !add_assoc.
 apply add_cancel_r.
 rewrite mul_1_r.
 rewrite add_comm, add_assoc, !add_opp_r, sub_1_r, two_succ, pred_succ.
 destruct (-a).[n]; simplnow rewrite sub_0_r. now nzsimpl'.
Qed.

(** All bits of number (-1) are 1 *)

Lemma bits_m1 : forall n, 0<=n -> (-1).[n] = true.
Proof.
 introsnow rewrite bits_opp, one_succ, pred_succ, bits_0.
Qed.

(** Various ways to refer to the lowest bit of a number *)

Lemma bit0_odd : forall a, a.[0] = odd a.
Proof.
 introssymmetry.
 destruct (exists_div2 a) as (a' & b & EQ).
 rewrite EQ, testbit_0_r, add_comm, odd_add_mul_2.
 destruct b; simplapply odd_1 || apply odd_0.
Qed.

Lemma bit0_eqb : forall a, a.[0] = eqb (a mod 2) 1.
Proof.
 intros a. rewrite testbit_eqb by order. now nzsimpl.
Qed.

Lemma bit0_mod : forall a, a.[0] == a mod 2.
Proof.
 intros a. rewrite testbit_spec' by order. now nzsimpl.
Qed.

(** Hence testing a bit is equivalent to shifting and testing parity *)

Lemma testbit_odd : forall a n, a.[n] = odd (a>>n).
Proof.
 introsnow rewrite <- bit0_odd, shiftr_spec, add_0_l.
Qed.

(** [log2] gives the highest nonzero bit of positive numbers *)

Lemma bit_log2 : forall a, 0<a -> a.[log2 a] = true.
Proof.
 intros a Ha.
 assert (Ha' := log2_nonneg a).
 destruct (log2_spec_alt a Ha) as (r & EQ & Hr).
 rewrite EQ at 1.
 rewrite testbit_true, add_comm by trivial.
 rewrite <- (mul_1_l (2^log2 a)) at 1.
 rewrite div_add by order_nz.
 rewrite div_small; trivial.
 rewrite add_0_l. apply mod_small. split; order'.
Qed.

Lemma bits_above_log2 : forall a n, 0<=a -> log2 a < n ->
 a.[n] = false.
Proof.
 intros a n Ha H.
 assert (Hn : 0<=n).
  transitivity (log2 a). apply log2_nonneg. order'.
 rewrite testbit_false by trivial.
 rewrite div_small. nzsimpl; order'.
 split. order. apply log2_lt_cancel. now rewrite log2_pow2.
Qed.

(** Hence the number of bits of [a] is [1+log2 a]
    (see [Pos.size_nat] and [Pos.size]).
*)


(** For negative numbers, things are the other ways around:
    log2 gives the highest zero bit (for numbers below -1).
*)


Lemma bit_log2_neg : forall a, a < -1 -> a.[log2 (P (-a))] = false.
Proof.
 intros a Ha.
 rewrite <- (opp_involutive a) at 1.
 rewrite bits_opp.
 apply negb_false_iff.
 apply bit_log2.
 apply opp_lt_mono in Ha. rewrite opp_involutive in Ha.
 apply lt_succ_lt_pred. now rewrite <- one_succ.
 apply log2_nonneg.
Qed.

Lemma bits_above_log2_neg : forall a n, a < 0 -> log2 (P (-a)) < n ->
 a.[n] = true.
Proof.
 intros a n Ha H.
 assert (Hn : 0<=n).
  transitivity (log2 (P (-a))). apply log2_nonneg. order'.
 rewrite <- (opp_involutive a), bits_opp, negb_true_iff by trivial.
 apply bits_above_log2; trivial.
 now rewrite <- opp_succ, opp_nonneg_nonpos, le_succ_l.
Qed.

(** Accessing a high enough bit of a number gives its sign *)

Lemma bits_iff_nonneg : forall a n, log2 (abs a) < n ->
 (0<=a <-> a.[n] = false).
Proof.
 intros a n Hn. splitintros H.
 rewrite abs_eq in Hn; trivialnow apply bits_above_log2.
 destruct (le_gt_cases 0 a); trivial.
 rewrite abs_neq in Hn by order.
 rewrite bits_above_log2_neg in H; try easy.
 apply le_lt_trans with (log2 (-a)); trivial.
 apply log2_le_mono. apply le_pred_l.
Qed.

Lemma bits_iff_nonneg' : forall a,
 0<=a <-> a.[S (log2 (abs a))] = false.
Proof.
 introsapply bits_iff_nonneg. apply lt_succ_diag_r.
Qed.

Lemma bits_iff_nonneg_ex : forall a,
 0<=a <-> (exists k, forall m, k<m -> a.[m] = false).
Proof.
 intros a. split.
 intros Ha. exists (log2 a). intros m Hm. now apply bits_above_log2.
 intros (k,Hk). destruct (le_gt_cases k (log2 (abs a))).
 now apply bits_iff_nonneg', Hk, lt_succ_r.
 apply (bits_iff_nonneg a (S k)).
 now apply lt_succ_r, lt_le_incl.
 apply Hk. apply lt_succ_diag_r.
Qed.

Lemma bits_iff_neg : forall a n, log2 (abs a) < n ->
 (a<0 <-> a.[n] = true).
Proof.
 intros a n Hn.
 now rewrite lt_nge, <- not_false_iff_true, (bits_iff_nonneg a n).
Qed.

Lemma bits_iff_neg' : forall a, a<0 <-> a.[S (log2 (abs a))] = true.
Proof.
 introsapply bits_iff_neg. apply lt_succ_diag_r.
Qed.

Lemma bits_iff_neg_ex : forall a,
 a<0 <-> (exists k, forall m, k<m -> a.[m] = true).
Proof.
 intros a. split.
 intros Ha. exists (log2 (P (-a))). intros m Hm. now apply bits_above_log2_neg.
 intros (k,Hk). destruct (le_gt_cases k (log2 (abs a))).
 now apply bits_iff_neg', Hk, lt_succ_r.
 apply (bits_iff_neg a (S k)).
 now apply lt_succ_r, lt_le_incl.
 apply Hk. apply lt_succ_diag_r.
Qed.

(** Testing bits after division or multiplication by a power of two *)

Lemma div2_bits : forall a n, 0<=n -> (a/2).[n] = a.[S n].
Proof.
 intros a n Hn.
 apply eq_true_iff_eq. rewrite 2 testbit_true by order_pos.
 rewrite pow_succ_r by trivial.
 now rewrite div_div by order_pos.
Qed.

Lemma div_pow2_bits : forall a n m, 0<=n -> 0<=m -> (a/2^n).[m] = a.[m+n].
Proof.
 intros a n m Hn. revert a m. apply le_ind with (4:=Hn).
 solve_proper.
 intros a m Hm. now nzsimpl.
 clear n Hn. intros n Hn IH a m Hm. nzsimpl; trivial.
 rewrite <- div_div by order_pos.
 now rewrite IH, div2_bits by order_pos.
Qed.

Lemma double_bits_succ : forall a n, (2*a).[S n] = a.[n].
Proof.
 intros a n.
 destruct (le_gt_cases 0 n) as [Hn|Hn].
 now rewrite <- div2_bits, mul_comm, div_mul by order'.
 rewrite (testbit_neg_r a n Hn).
 apply le_succ_l in Hn. le_elim Hn.
 now rewrite testbit_neg_r.
 now rewrite Hn, bit0_odd, odd_mul, odd_2.
Qed.

Lemma double_bits : forall a n, (2*a).[n] = a.[P n].
Proof.
 intros a n. rewrite <- (succ_pred n) at 1. apply double_bits_succ.
Qed.

Lemma mul_pow2_bits_add : forall a n m, 0<=n -> (a*2^n).[n+m] = a.[m].
Proof.
 intros a n m Hn. revert a m. apply le_ind with (4:=Hn).
 solve_proper.
 intros a m. now nzsimpl.
 clear n Hn. intros n Hn IH a m. nzsimpl; trivial.
 rewrite mul_assoc, (mul_comm _ 2), <- mul_assoc.
 now rewrite double_bits_succ.
Qed.

Lemma mul_pow2_bits : forall a n m, 0<=n -> (a*2^n).[m] = a.[m-n].
Proof.
 intros.
 rewrite <- (add_simpl_r m n) at 1. rewrite add_sub_swap, add_comm.
 now apply mul_pow2_bits_add.
Qed.

Lemma mul_pow2_bits_low : forall a n m, m<n -> (a*2^n).[m] = false.
Proof.
 intros.
 destruct (le_gt_cases 0 n).
 rewrite mul_pow2_bits by trivial.
 apply testbit_neg_r. now apply lt_sub_0.
 now rewrite pow_neg_r, mul_0_r, bits_0.
Qed.

(** Selecting the low part of a number can be done by a modulo *)

Lemma mod_pow2_bits_high : forall a n m, 0<=n<=m ->
 (a mod 2^n).[m] = false.
Proof.
 intros a n m (Hn,H).
 destruct (mod_pos_bound a (2^n)) as [LE LT]. order_pos.
 le_elim LE.
 apply bits_above_log2; try order.
 apply lt_le_trans with n; trivial.
 apply log2_lt_pow2; trivial.
 now rewrite <- LE, bits_0.
Qed.

Lemma mod_pow2_bits_low : forall a n m, m<n ->
 (a mod 2^n).[m] = a.[m].
Proof.
 intros a n m H.
 destruct (le_gt_cases 0 m) as [Hm|Hm]; [|now rewrite !testbit_neg_r].
 rewrite testbit_eqb; trivial.
 rewrite <- (mod_add _ (2^(P (n-m))*(a/2^n))) by order'.
 rewrite <- div_add by order_nz.
 rewrite (mul_comm _ 2), mul_assoc, <- pow_succ_r, succ_pred.
 rewrite mul_comm, mul_assoc, <- pow_add_r, (add_comm m), sub_add; trivial.
 rewrite add_comm, <- div_mod by order_nz.
 symmetryapply testbit_eqb; trivial.
 apply le_0_sub; order.
 now apply lt_le_pred, lt_0_sub.
Qed.

(** We now prove that having the same bits implies equality.
    For that we use a notion of equality over functional
    streams of bits. *)


Definition eqf (f g:t -> bool) := forall n:t, f n = g n.

Instance eqf_equiv : Equivalence eqf.
Proof.
 split; congruence.
Qed.

Local Infix "===" := eqf (at level 70, no associativity).

Instance testbit_eqf : Proper (eq==>eqf) testbit.
Proof.
 intros a a' Ha n. now rewrite Ha.
Qed.

(** Only zero corresponds to the always-false stream. *)

Lemma bits_inj_0 :
 forall a, (forall n, a.[n] = false) -> a == 0.
Proof.
 intros a H. destruct (lt_trichotomy a 0) as [Ha|[Ha|Ha]]; trivial.
 apply (bits_above_log2_neg a (S (log2 (P (-a))))) in Ha.
 now rewrite H in Ha.
 apply lt_succ_diag_r.
 apply bit_log2 in Ha. now rewrite H in Ha.
Qed.

(** If two numbers produce the same stream of bits, they are equal. *)

Lemma bits_inj : forall a b, testbit a === testbit b -> a == b.
Proof.
 assert (AUX : forall n, 0<=n -> forall a b,
                0<=a<2^n -> testbit a === testbit b -> a == b).
  intros n Hn. apply le_ind with (4:=Hn).
  solve_proper.
  intros a b Ha H. rewrite pow_0_r, one_succ, lt_succ_r in Ha.
  assert (Ha' : a == 0) by (destruct Ha; order).
  rewrite Ha' in *.
  symmetryapply bits_inj_0.
   intros m. now rewrite <- H, bits_0.
  clear n Hn. intros n Hn IH a b (Ha,Ha') H.
  rewrite (div_mod a 2), (div_mod b 2) by order'.
  f_equiv; [ | now rewrite <- 2 bit0_mod, H].
  f_equiv.
  apply IH.
  splitapply div_pos; order'.
  apply div_lt_upper_bound. order'. now rewrite <- pow_succ_r.
   intros m.
   destruct (le_gt_cases 0 m).
   rewrite 2 div2_bits by trivialapply H.
   now rewrite 2 testbit_neg_r.
 intros a b H.
 destruct (le_gt_cases 0 a) as [Ha|Ha].
 apply (AUX a); trivialsplittrivial.
 apply pow_gt_lin_r; order'.
 apply succ_inj, opp_inj.
 assert (0 <= - S a).
  apply opp_le_mono. now rewrite opp_involutive, opp_0, le_succ_l.
 apply (AUX (-(S a))); trivialsplittrivial.
 apply pow_gt_lin_r; order'.
  intros m. destruct (le_gt_cases 0 m).
  now rewrite 2 bits_opp, 2 pred_succ, H.
  now rewrite 2 testbit_neg_r.
Qed.

Lemma bits_inj_iff : forall a b, testbit a === testbit b <-> a == b.
Proof.
 splitapply bits_inj. intros EQ; now rewrite EQ.
Qed.

(** In fact, checking the bits at positive indexes is enough. *)

Lemma bits_inj' : forall a b,
 (forall n, 0<=n -> a.[n] = b.[n]) -> a == b.
Proof.
 intros a b H. apply bits_inj.
 intros n. destruct (le_gt_cases 0 n).
 now apply H.
 now rewrite 2 testbit_neg_r.
Qed.

Lemma bits_inj_iff' : forall a b, (forall n, 0<=n -> a.[n] = b.[n]) <-> a == b.
Proof.
 splitapply bits_inj'. intros EQ n Hn; now rewrite EQ.
Qed.

Ltac bitwise := apply bits_inj'; intros ?m ?Hm; autorewrite with bitwise.

Hint Rewrite lxor_spec lor_spec land_spec ldiff_spec bits_0 : bitwise.

(** The streams of bits that correspond to a numbers are
  exactly the ones which are stationary after some point. *)


Lemma are_bits : forall (f:t->bool), Proper (eq==>Logic.eq) f ->
 ((exists n, forall m, 0<=m -> f m = n.[m]) <->
  (exists k, forall m, k<=m -> f m = f k)).
Proof.
 intros f Hf. split.
 intros (a,H).
  destruct (le_gt_cases 0 a).
  exists (S (log2 a)). intros m Hm. apply le_succ_l in Hm.
  rewrite 2 H, 2 bits_above_log2; trivial using lt_succ_diag_r.
  order_pos. apply le_trans with (log2 a); order_pos.
  exists (S (log2 (P (-a)))). intros m Hm. apply le_succ_l in Hm.
  rewrite 2 H, 2 bits_above_log2_neg; trivial using lt_succ_diag_r.
  order_pos. apply le_trans with (log2 (P (-a))); order_pos.
 intros (k,Hk).
  destruct (lt_ge_cases k 0) as [LT|LE].
  case_eq (f 0); intros H0.
  exists (-1). intros m Hm. rewrite bits_m1, Hk by order.
  symmetryrewrite <- H0. apply Hk; order.
  exists 0. intros m Hm. rewrite bits_0, Hk by order.
  symmetryrewrite <- H0. apply Hk; order.
  revert f Hf Hk. apply le_ind with (4:=LE).
  (* compat : solve_proper fails here *)
  apply proper_sym_impl_iff. exact eq_sym.
  clear k LE. intros k k' Hk IH f Hf H. apply IH; trivial.
  now setoid_rewrite Hk.
  (* /compat *)
  intros f Hf H0. destruct (f 0).
  exists (-1). intros m Hm. now rewrite bits_m1, H0.
  exists 0. intros m Hm. now rewrite bits_0, H0.
  clear k LE. intros k LE IH f Hf Hk.
  destruct (IH (fun m => f (S m))) as (n, Hn).
  solve_proper.
  intros m Hm. apply Hk. now rewrite <- succ_le_mono.
  exists (f 0 + 2*n). intros m Hm.
  le_elim Hm.
  rewrite <- (succ_pred m), Hn, <- div2_bits.
  rewrite mul_comm, div_add, b2z_div2, add_0_l; trivial. order'.
  now rewrite <- lt_succ_r, succ_pred.
  now rewrite <- lt_succ_r, succ_pred.
  rewrite <- Hm.
  symmetryapply add_b2z_double_bit0.
Qed.

(** * Properties of shifts *)

(** First, a unified specification for [shiftl] : the [shiftl_spec]
   below (combined with [testbit_neg_r]) is equivalent to
   [shiftl_spec_low] and [shiftl_spec_high]. *)


Lemma shiftl_spec : forall a n m, 0<=m -> (a << n).[m] = a.[m-n].
Proof.
 intros.
 destruct (le_gt_cases n m).
 now apply shiftl_spec_high.
 rewrite shiftl_spec_low, testbit_neg_r; trivialnow apply lt_sub_0.
Qed.

(** A shiftl by a negative number is a shiftr, and vice-versa *)

Lemma shiftr_opp_r : forall a n, a >> (-n) == a << n.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite shiftr_spec, shiftl_spec, add_opp_r.
Qed.

Lemma shiftl_opp_r : forall a n, a << (-n) == a >> n.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite shiftr_spec, shiftl_spec, sub_opp_r.
Qed.

(** Shifts correspond to multiplication or division by a power of two *)

Lemma shiftr_div_pow2 : forall a n, 0<=n -> a >> n == a / 2^n.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite shiftr_spec, div_pow2_bits.
Qed.

Lemma shiftr_mul_pow2 : forall a n, n<=0 -> a >> n == a * 2^(-n).
Proof.
 intros. bitwise. rewrite shiftr_spec, mul_pow2_bits; trivial.
 now rewrite sub_opp_r.
 now apply opp_nonneg_nonpos.
Qed.

Lemma shiftl_mul_pow2 : forall a n, 0<=n -> a << n == a * 2^n.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite shiftl_spec, mul_pow2_bits.
Qed.

Lemma shiftl_div_pow2 : forall a n, n<=0 -> a << n == a / 2^(-n).
Proof.
 intros. bitwise. rewrite shiftl_spec, div_pow2_bits; trivial.
 now rewrite add_opp_r.
 now apply opp_nonneg_nonpos.
Qed.

(** Shifts are morphisms *)

Instance shiftr_wd : Proper (eq==>eq==>eq) shiftr.
Proof.
 intros a a' Ha n n' Hn.
 destruct (le_ge_cases n 0) as [H|H]; assert (H':=H); rewrite Hn in H'.
 now rewrite 2 shiftr_mul_pow2, Ha, Hn.
 now rewrite 2 shiftr_div_pow2, Ha, Hn.
Qed.

Instance shiftl_wd : Proper (eq==>eq==>eq) shiftl.
Proof.
 intros a a' Ha n n' Hn. now rewrite <- 2 shiftr_opp_r, Ha, Hn.
Qed.

(** We could also have specified shiftl with an addition on the left. *)

Lemma shiftl_spec_alt : forall a n m, 0<=n -> (a << n).[m+n] = a.[m].
Proof.
 introsnow rewrite shiftl_mul_pow2, mul_pow2_bits, add_simpl_r.
Qed.

(** Chaining several shifts. The only case for which
    there isn't any simple expression is a true shiftr
    followed by a true shiftl.
*)


Lemma shiftl_shiftl : forall a n m, 0<=n ->
 (a << n) << m == a << (n+m).
Proof.
 intros a n p Hn. bitwise.
 rewrite 2 (shiftl_spec _ _ m) by trivial.
 rewrite add_comm, sub_add_distr.
 destruct (le_gt_cases 0 (m-p)) as [H|H].
 now rewrite shiftl_spec.
 rewrite 2 testbit_neg_r; trivial.
 apply lt_sub_0. now apply lt_le_trans with 0.
Qed.

Lemma shiftr_shiftl_l : forall a n m, 0<=n ->
 (a << n) >> m == a << (n-m).
Proof.
 introsnow rewrite <- shiftl_opp_r, shiftl_shiftl, add_opp_r.
Qed.

Lemma shiftr_shiftl_r : forall a n m, 0<=n ->
 (a << n) >> m == a >> (m-n).
Proof.
 introsnow rewrite <- 2 shiftl_opp_r, shiftl_shiftl, opp_sub_distr, add_comm.
Qed.

Lemma shiftr_shiftr : forall a n m, 0<=m ->
 (a >> n) >> m == a >> (n+m).
Proof.
 intros a n p Hn. bitwise.
 rewrite 3 shiftr_spec; trivial.
 now rewrite (add_comm n p), add_assoc.
 now apply add_nonneg_nonneg.
Qed.

(** shifts and constants *)

Lemma shiftl_1_l : forall n, 1 << n == 2^n.
Proof.
 intros n. destruct (le_gt_cases 0 n).
 now rewrite shiftl_mul_pow2, mul_1_l.
 rewrite shiftl_div_pow2, div_1_l, pow_neg_r; try order.
 apply pow_gt_1. order'. now apply opp_pos_neg.
Qed.

Lemma shiftl_0_r : forall a, a << 0 == a.
Proof.
 introsrewrite shiftl_mul_pow2 by order. now nzsimpl.
Qed.

Lemma shiftr_0_r : forall a, a >> 0 == a.
Proof.
 introsnow rewrite <- shiftl_opp_r, opp_0, shiftl_0_r.
Qed.

Lemma shiftl_0_l : forall n, 0 << n == 0.
Proof.
 intros.
 destruct (le_ge_cases 0 n).
 rewrite shiftl_mul_pow2 by trivialnow nzsimpl.
 rewrite shiftl_div_pow2 by trivial.
 rewrite <- opp_nonneg_nonpos in H. nzsimpl; order_nz.
Qed.

Lemma shiftr_0_l : forall n, 0 >> n == 0.
Proof.
 introsnow rewrite <- shiftl_opp_r, shiftl_0_l.
Qed.

Lemma shiftl_eq_0_iff : forall a n, 0<=n -> (a << n == 0 <-> a == 0).
Proof.
 intros a n Hn.
 rewrite shiftl_mul_pow2 by trivialrewrite eq_mul_0. split.
 intros [H | H]; trivial. contradict H; order_nz.
 intros H. now left.
Qed.

Lemma shiftr_eq_0_iff : forall a n,
 a >> n == 0 <-> a==0 \/ (0<a /\ log2 a < n).
Proof.
 intros a n.
 destruct (le_gt_cases 0 n) as [Hn|Hn].
 rewrite shiftr_div_pow2, div_small_iff by order_nz.
 destruct (lt_trichotomy a 0) as [LT|[EQ|LT]].
 split.
 intros [(H,_)|(H,H')]. order. generalize (pow_nonneg 2 n le_0_2); order.
 intros [H|(H,H')]; order.
 rewrite EQ. splitnow leftintros _; leftsplit; order_pos.
 splitintros [(H,H')|(H,H')]; rightsplittrivial.
  apply log2_lt_pow2; trivial.
  generalize (pow_nonneg 2 n le_0_2); order.
 intros [H|(H,H')]. order. left.
 split. order. now apply log2_lt_pow2.
 rewrite shiftr_mul_pow2 by order. rewrite eq_mul_0.
 splitintros [H|H].
 now left.
 elim (pow_nonzero 2 (-n)); try apply opp_nonneg_nonpos; order'.
 now left.
 destruct H. generalize (log2_nonneg a); order.
Qed.

Lemma shiftr_eq_0 : forall a n, 0<=a -> log2 a < n -> a >> n == 0.
Proof.
 intros a n Ha H. apply shiftr_eq_0_iff.
 le_elim Ha. rightnow splitnow left.
Qed.

(** Properties of [div2]. *)

Lemma div2_div : forall a, div2 a == a/2.
Proof.
 introsrewrite div2_spec, shiftr_div_pow2. now nzsimpl. order'.
Qed.

Instance div2_wd : Proper (eq==>eq) div2.
Proof.
 intros a a' Ha. now rewrite 2 div2_div, Ha.
Qed.

Lemma div2_odd : forall a, a == 2*(div2 a) + odd a.
Proof.
 intros a. rewrite div2_div, <- bit0_odd, bit0_mod.
 apply div_mod. order'.
Qed.

(** Properties of [lxor] and others, directly deduced
    from properties of [xorb] and others. *)


Instance lxor_wd : Proper (eq ==> eq ==> eq) lxor.
Proof.
 intros a a' Ha b b' Hb. bitwise. now rewrite Ha, Hb.
Qed.

Instance land_wd : Proper (eq ==> eq ==> eq) land.
Proof.
 intros a a' Ha b b' Hb. bitwise. now rewrite Ha, Hb.
Qed.

Instance lor_wd : Proper (eq ==> eq ==> eq) lor.
Proof.
 intros a a' Ha b b' Hb. bitwise. now rewrite Ha, Hb.
Qed.

Instance ldiff_wd : Proper (eq ==> eq ==> eq) ldiff.
Proof.
 intros a a' Ha b b' Hb. bitwise. now rewrite Ha, Hb.
Qed.

Lemma lxor_eq : forall a a', lxor a a' == 0 -> a == a'.
Proof.
 intros a a' H. bitwise. apply xorb_eq.
 now rewrite <- lxor_spec, H, bits_0.
Qed.

Lemma lxor_nilpotent : forall a, lxor a a == 0.
Proof.
 intros. bitwise. apply xorb_nilpotent.
Qed.

Lemma lxor_eq_0_iff : forall a a', lxor a a' == 0 <-> a == a'.
Proof.
 splitapply lxor_eq. intros EQ; rewrite EQ; apply lxor_nilpotent.
Qed.

Lemma lxor_0_l : forall a, lxor 0 a == a.
Proof.
 intros. bitwise. apply xorb_false_l.
Qed.

Lemma lxor_0_r : forall a, lxor a 0 == a.
Proof.
 intros. bitwise. apply xorb_false_r.
Qed.

Lemma lxor_comm : forall a b, lxor a b == lxor b a.
Proof.
 intros. bitwise. apply xorb_comm.
Qed.

Lemma lxor_assoc :
 forall a b c, lxor (lxor a b) c == lxor a (lxor b c).
Proof.
 intros. bitwise. apply xorb_assoc.
Qed.

Lemma lor_0_l : forall a, lor 0 a == a.
Proof.
 intros. bitwise. trivial.
Qed.

Lemma lor_0_r : forall a, lor a 0 == a.
Proof.
 intros. bitwise. apply orb_false_r.
Qed.

Lemma lor_comm : forall a b, lor a b == lor b a.
Proof.
 intros. bitwise. apply orb_comm.
Qed.

Lemma lor_assoc :
 forall a b c, lor a (lor b c) == lor (lor a b) c.
Proof.
 intros. bitwise. apply orb_assoc.
Qed.

Lemma lor_diag : forall a, lor a a == a.
Proof.
 intros. bitwise. apply orb_diag.
Qed.

Lemma lor_eq_0_l : forall a b, lor a b == 0 -> a == 0.
Proof.
 intros a b H. bitwise.
 apply (orb_false_iff a.[m] b.[m]).
 now rewrite <- lor_spec, H, bits_0.
Qed.

Lemma lor_eq_0_iff : forall a b, lor a b == 0 <-> a == 0 /\ b == 0.
Proof.
 intros a b. split.
 splitnow apply lor_eq_0_l in H.
 rewrite lor_comm in H. now apply lor_eq_0_l in H.
 intros (EQ,EQ'). now rewrite EQ, lor_0_l.
Qed.

Lemma land_0_l : forall a, land 0 a == 0.
Proof.
 intros. bitwise. trivial.
Qed.

Lemma land_0_r : forall a, land a 0 == 0.
Proof.
 intros. bitwise. apply andb_false_r.
Qed.

Lemma land_comm : forall a b, land a b == land b a.
Proof.
 intros. bitwise. apply andb_comm.
Qed.

Lemma land_assoc :
 forall a b c, land a (land b c) == land (land a b) c.
Proof.
 intros. bitwise. apply andb_assoc.
Qed.

Lemma land_diag : forall a, land a a == a.
Proof.
 intros. bitwise. apply andb_diag.
Qed.

Lemma ldiff_0_l : forall a, ldiff 0 a == 0.
Proof.
 intros. bitwise. trivial.
Qed.

Lemma ldiff_0_r : forall a, ldiff a 0 == a.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite andb_true_r.
Qed.

Lemma ldiff_diag : forall a, ldiff a a == 0.
Proof.
 intros. bitwise. apply andb_negb_r.
Qed.

Lemma lor_land_distr_l : forall a b c,
 lor (land a b) c == land (lor a c) (lor b c).
Proof.
 intros. bitwise. apply orb_andb_distrib_l.
Qed.

Lemma lor_land_distr_r : forall a b c,
 lor a (land b c) == land (lor a b) (lor a c).
Proof.
 intros. bitwise. apply orb_andb_distrib_r.
Qed.

Lemma land_lor_distr_l : forall a b c,
 land (lor a b) c == lor (land a c) (land b c).
Proof.
 intros. bitwise. apply andb_orb_distrib_l.
Qed.

Lemma land_lor_distr_r : forall a b c,
 land a (lor b c) == lor (land a b) (land a c).
Proof.
 intros. bitwise. apply andb_orb_distrib_r.
Qed.

Lemma ldiff_ldiff_l : forall a b c,
 ldiff (ldiff a b) c == ldiff a (lor b c).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite negb_orb, andb_assoc.
Qed.

Lemma lor_ldiff_and : forall a b,
 lor (ldiff a b) (land a b) == a.
Proof.
 intros. bitwise.
 now rewrite <- andb_orb_distrib_r, orb_comm, orb_negb_r, andb_true_r.
Qed.

Lemma land_ldiff : forall a b,
 land (ldiff a b) b == 0.
Proof.
 intros. bitwise.
 now rewrite <-andb_assoc, (andb_comm (negb _)), andb_negb_r, andb_false_r.
Qed.

(** Properties of [setbit] and [clearbit] *)

Definition setbit a n := lor a (1 << n).
Definition clearbit a n := ldiff a (1 << n).

Lemma setbit_spec' : forall a n, setbit a n == lor a (2^n).
Proof.
 introsunfold setbit. now rewrite shiftl_1_l.
Qed.

Lemma clearbit_spec' : forall a n, clearbit a n == ldiff a (2^n).
Proof.
 introsunfold clearbit. now rewrite shiftl_1_l.
Qed.

Instance setbit_wd : Proper (eq==>eq==>eq) setbit.
Proofunfold setbit. solve_proper. Qed.

Instance clearbit_wd : Proper (eq==>eq==>eq) clearbit.
Proofunfold clearbit. solve_proper. Qed.

Lemma pow2_bits_true : forall n, 0<=n -> (2^n).[n] = true.
Proof.
 introsrewrite <- (mul_1_l (2^n)).
 now rewrite mul_pow2_bits, sub_diag, bit0_odd, odd_1.
Qed.

Lemma pow2_bits_false : forall n m, n~=m -> (2^n).[m] = false.
Proof.
 intros.
 destruct (le_gt_cases 0 n); [|now rewrite pow_neg_r, bits_0].
 destruct (le_gt_cases n m).
 rewrite <- (mul_1_l (2^n)), mul_pow2_bits; trivial.
 rewrite <- (succ_pred (m-n)), <- div2_bits.
 now rewrite div_small, bits_0 by (split; order').
 rewrite <- lt_succ_r, succ_pred, lt_0_sub. order.
 rewrite <- (mul_1_l (2^n)), mul_pow2_bits_low; trivial.
Qed.

Lemma pow2_bits_eqb : forall n m, 0<=n -> (2^n).[m] = eqb n m.
Proof.
 intros n m Hn. apply eq_true_iff_eq. rewrite eqb_eq. split.
 destruct (eq_decidable n m) as [H|H]. trivial.
 now rewrite (pow2_bits_false _ _ H).
 intros EQ. rewrite EQ. apply pow2_bits_true; order.
Qed.

Lemma setbit_eqb : forall a n m, 0<=n ->
 (setbit a n).[m] = eqb n m || a.[m].
Proof.
 introsnow rewrite setbit_spec', lor_spec, pow2_bits_eqb, orb_comm.
Qed.

Lemma setbit_iff : forall a n m, 0<=n ->
 ((setbit a n).[m] = true <-> n==m \/ a.[m] = true).
Proof.
 introsnow rewrite setbit_eqb, orb_true_iff, eqb_eq.
Qed.

Lemma setbit_eq : forall a n, 0<=n -> (setbit a n).[n] = true.
Proof.
 introsapply setbit_iff; trivialnow left.
Qed.

Lemma setbit_neq : forall a n m, 0<=n -> n~=m ->
 (setbit a n).[m] = a.[m].
Proof.
 intros a n m Hn H. rewrite setbit_eqb; trivial.
 rewrite <- eqb_eq in H. apply not_true_is_false in H. now rewrite H.
Qed.

Lemma clearbit_eqb : forall a n m,
 (clearbit a n).[m] = a.[m] && negb (eqb n m).
Proof.
 intros.
 destruct (le_gt_cases 0 m); [| now rewrite 2 testbit_neg_r].
 rewrite clearbit_spec', ldiff_spec. f_equal. f_equal.
 destruct (le_gt_cases 0 n) as [Hn|Hn].
 now apply pow2_bits_eqb.
 symmetryrewrite pow_neg_r, bits_0, <- not_true_iff_false, eqb_eq; order.
Qed.

Lemma clearbit_iff : forall a n m,
 (clearbit a n).[m] = true <-> a.[m] = true /\ n~=m.
Proof.
 introsrewrite clearbit_eqb, andb_true_iff, <- eqb_eq.
 now rewrite negb_true_iff, not_true_iff_false.
Qed.

Lemma clearbit_eq : forall a n, (clearbit a n).[n] = false.
Proof.
 introsrewrite clearbit_eqb, (proj2 (eqb_eq _ _) (eq_refl n)).
 apply andb_false_r.
Qed.

Lemma clearbit_neq : forall a n m, n~=m ->
 (clearbit a n).[m] = a.[m].
Proof.
 intros a n m H. rewrite clearbit_eqb.
 rewrite <- eqb_eq in H. apply not_true_is_false in H. rewrite H.
 apply andb_true_r.
Qed.

(** Shifts of bitwise operations *)

Lemma shiftl_lxor : forall a b n,
 (lxor a b) << n == lxor (a << n) (b << n).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite !shiftl_spec, lxor_spec.
Qed.

Lemma shiftr_lxor : forall a b n,
 (lxor a b) >> n == lxor (a >> n) (b >> n).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite !shiftr_spec, lxor_spec.
Qed.

Lemma shiftl_land : forall a b n,
 (land a b) << n == land (a << n) (b << n).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite !shiftl_spec, land_spec.
Qed.

Lemma shiftr_land : forall a b n,
 (land a b) >> n == land (a >> n) (b >> n).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite !shiftr_spec, land_spec.
Qed.

Lemma shiftl_lor : forall a b n,
 (lor a b) << n == lor (a << n) (b << n).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite !shiftl_spec, lor_spec.
Qed.

Lemma shiftr_lor : forall a b n,
 (lor a b) >> n == lor (a >> n) (b >> n).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite !shiftr_spec, lor_spec.
Qed.

Lemma shiftl_ldiff : forall a b n,
 (ldiff a b) << n == ldiff (a << n) (b << n).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite !shiftl_spec, ldiff_spec.
Qed.

Lemma shiftr_ldiff : forall a b n,
 (ldiff a b) >> n == ldiff (a >> n) (b >> n).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite !shiftr_spec, ldiff_spec.
Qed.

(** For integers, we do have a binary complement function *)

Definition lnot a := P (-a).

Instance lnot_wd : Proper (eq==>eq) lnot.
Proofunfold lnot. solve_proper. Qed.

Lemma lnot_spec : forall a n, 0<=n -> (lnot a).[n] = negb a.[n].
Proof.
 introsunfold lnot. rewrite <- (opp_involutive a) at 2.
 rewrite bits_opp, negb_involutive; trivial.
Qed.

Lemma lnot_involutive : forall a, lnot (lnot a) == a.
Proof.
 intros a. bitwise. now rewrite 2 lnot_spec, negb_involutive.
Qed.

Lemma lnot_0 : lnot 0 == -1.
Proof.
 unfold lnot. now rewrite opp_0, <- sub_1_r, sub_0_l.
Qed.

Lemma lnot_m1 : lnot (-1) == 0.
Proof.
 unfold lnot. now rewrite opp_involutive, one_succ, pred_succ.
Qed.

(** Complement and other operations *)

Lemma lor_m1_r : forall a, lor a (-1) == -1.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite bits_m1, orb_true_r.
Qed.

Lemma lor_m1_l : forall a, lor (-1) a == -1.
Proof.
 introsnow rewrite lor_comm, lor_m1_r.
Qed.

Lemma land_m1_r : forall a, land a (-1) == a.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite bits_m1, andb_true_r.
Qed.

Lemma land_m1_l : forall a, land (-1) a == a.
Proof.
 introsnow rewrite land_comm, land_m1_r.
Qed.

Lemma ldiff_m1_r : forall a, ldiff a (-1) == 0.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite bits_m1, andb_false_r.
Qed.

Lemma ldiff_m1_l : forall a, ldiff (-1) a == lnot a.
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite lnot_spec, bits_m1.
Qed.

Lemma lor_lnot_diag : forall a, lor a (lnot a) == -1.
Proof.
 intros a. bitwise. rewrite lnot_spec, bits_m1; trivial.
 now destruct a.[m].
Qed.

Lemma add_lnot_diag : forall a, a + lnot a == -1.
Proof.
 intros a. unfold lnot.
 now rewrite add_pred_r, add_opp_r, sub_diag, one_succ, opp_succ, opp_0.
Qed.

Lemma ldiff_land : forall a b, ldiff a b == land a (lnot b).
Proof.
 intros. bitwise. now rewrite lnot_spec.
Qed.

Lemma land_lnot_diag : forall a, land a (lnot a) == 0.
Proof.
 introsnow rewrite <- ldiff_land, ldiff_diag.
Qed.

Lemma lnot_lor : forall a b, lnot (lor a b) == land (lnot a) (lnot b).
Proof.
 intros a b. bitwise. now rewrite !lnot_spec, lor_spec, negb_orb.
Qed.

Lemma lnot_land : forall a b, lnot (land a b) == lor (lnot a) (lnot b).
Proof.
 intros a b. bitwise. now rewrite !lnot_spec, land_spec, negb_andb.
Qed.

Lemma lnot_ldiff : forall a b, lnot (ldiff a b) == lor (lnot a) b.
Proof.
 intros a b. bitwise.
 now rewrite !lnot_spec, ldiff_spec, negb_andb, negb_involutive.
Qed.

Lemma lxor_lnot_lnot : forall a b, lxor (lnot a) (lnot b) == lxor a b.
Proof.
 intros a b. bitwise. now rewrite !lnot_spec, xorb_negb_negb.
Qed.

Lemma lnot_lxor_l : forall a b, lnot (lxor a b) == lxor (lnot a) b.
Proof.
 intros a b. bitwise. now rewrite !lnot_spec, !lxor_spec, negb_xorb_l.
Qed.

Lemma lnot_lxor_r : forall a b, lnot (lxor a b) == lxor a (lnot b).
Proof.
 intros a b. bitwise. now rewrite !lnot_spec, !lxor_spec, negb_xorb_r.
Qed.

Lemma lxor_m1_r : forall a, lxor a (-1) == lnot a.
Proof.
 introsnow rewrite <- (lxor_0_r (lnot a)), <- lnot_m1, lxor_lnot_lnot.
Qed.

Lemma lxor_m1_l : forall a, lxor (-1) a == lnot a.
Proof.
 introsnow rewrite lxor_comm, lxor_m1_r.
Qed.

Lemma lxor_lor : forall a b, land a b == 0 ->
 lxor a b == lor a b.
Proof.
 intros a b H. bitwise.
 assert (a.[m] && b.[m] = false)
   by now rewrite <- land_spec, H, bits_0.
 now destruct a.[m], b.[m].
Qed.

Lemma lnot_shiftr : forall a n, 0<=n -> lnot (a >> n) == (lnot a) >> n.
Proof.
 intros a n Hn. bitwise.
 now rewrite lnot_spec, 2 shiftr_spec, lnot_spec by order_pos.
Qed.

(** [(ones n)] is [2^n-1], the number with [n] digits 1 *)

Definition ones n := P (1<<n).

Instance ones_wd : Proper (eq==>eq) ones.
Proofunfold ones. solve_proper. Qed.

Lemma ones_equiv : forall n, ones n == P (2^n).
Proof.
 introsunfold ones.
 destruct (le_gt_cases 0 n).
 now rewrite shiftl_mul_pow2, mul_1_l.
 f_equiv. rewrite pow_neg_r; trivial.
 rewrite <- shiftr_opp_r. apply shiftr_eq_0_iff. rightsplit.
 order'. rewrite log2_1. now apply opp_pos_neg.
Qed.

Lemma ones_add : forall n m, 0<=n -> 0<=m ->
 ones (m+n) == 2^m * ones n + ones m.
Proof.
 intros n m Hn Hm. rewrite !ones_equiv.
 rewrite <- !sub_1_r, mul_sub_distr_l, mul_1_r, <- pow_add_r by trivial.
 rewrite add_sub_assoc, sub_add. reflexivity.
Qed.

Lemma ones_div_pow2 : forall n m, 0<=m<=n -> ones n / 2^m == ones (n-m).
Proof.
 intros n m (Hm,H). symmetryapply div_unique with (ones m).
 leftrewrite ones_equiv. split.
 rewrite <- lt_succ_r, succ_pred. order_pos.
 now rewrite <- le_succ_l, succ_pred.
 rewrite <- (sub_add m n) at 1. rewrite (add_comm _ m).
 apply ones_add; trivialnow apply le_0_sub.
Qed.

Lemma ones_mod_pow2 : forall n m, 0<=m<=n -> (ones n) mod (2^m) == ones m.
Proof.
 intros n m (Hm,H). symmetryapply mod_unique with (ones (n-m)).
 leftrewrite ones_equiv. split.
 rewrite <- lt_succ_r, succ_pred. order_pos.
 now rewrite <- le_succ_l, succ_pred.
 rewrite <- (sub_add m n) at 1. rewrite (add_comm _ m).
 apply ones_add; trivialnow apply le_0_sub.
Qed.

Lemma ones_spec_low : forall n m, 0<=m<n -> (ones n).[m] = true.
Proof.
 intros n m (Hm,H). apply testbit_true; trivial.
 rewrite ones_div_pow2 by (split; order).
 rewrite <- (pow_1_r 2). rewrite ones_mod_pow2.
 rewrite ones_equiv. now nzsimpl'.
 split. order'. apply le_add_le_sub_r. nzsimpl. now apply le_succ_l.
Qed.

Lemma ones_spec_high : forall n m, 0<=n<=m -> (ones n).[m] = false.
Proof.
 intros n m (Hn,H). le_elim Hn.
 apply bits_above_log2; rewrite ones_equiv.
 rewrite <-lt_succ_r, succ_pred; order_pos.
 rewrite log2_pred_pow2; trivialnow rewrite <-le_succ_l, succ_pred.
 rewrite ones_equiv. now rewrite <- Hn, pow_0_r, one_succ, pred_succ, bits_0.
Qed.

Lemma ones_spec_iff : forall n m, 0<=n ->
 ((ones n).[m] = true <-> 0<=m<n).
Proof.
 intros n m Hn. splitintros H.
 destruct (lt_ge_cases m 0) as [Hm|Hm].
  now rewrite testbit_neg_r in H.
  splittrivialapply lt_nge. intro H'. rewrite ones_spec_high in H.
  discriminatenow split.
 apply ones_spec_low.
Qed.

Lemma lor_ones_low : forall a n, 0<=a -> log2 a < n ->
 lor a (ones n) == ones n.
Proof.
 intros a n Ha H. bitwise. destruct (le_gt_cases n m).
 rewrite ones_spec_high, bits_above_log2; try splittrivial.
 now apply lt_le_trans with n.
 apply le_trans with (log2 a); order_pos.
 rewrite ones_spec_low, orb_true_r; try splittrivial.
Qed.

Lemma land_ones : forall a n, 0<=n -> land a (ones n) == a mod 2^n.
Proof.
 intros a n Hn. bitwise. destruct (le_gt_cases n m).
 rewrite ones_spec_high, mod_pow2_bits_high, andb_false_r;
  try splittrivial.
 rewrite ones_spec_low, mod_pow2_bits_low, andb_true_r;
  try splittrivial.
Qed.

Lemma land_ones_low : forall a n, 0<=a -> log2 a < n ->
 land a (ones n) == a.
Proof.
 intros a n Ha H.
 assert (Hn : 0<=n) by (generalize (log2_nonneg a); order).
 rewrite land_ones; trivialapply mod_small.
 splittrivial.
 apply log2_lt_cancel. now rewrite log2_pow2.
Qed.

Lemma ldiff_ones_r : forall a n, 0<=n ->
 ldiff a (ones n) == (a >> n) << n.
Proof.
 intros a n Hn. bitwise. destruct (le_gt_cases n m).
 rewrite ones_spec_high, shiftl_spec_high, shiftr_spec; trivial.
 rewrite sub_add; trivialapply andb_true_r.
 now apply le_0_sub.
 now split.
 rewrite ones_spec_low, shiftl_spec_low, andb_false_r;
  try splittrivial.
Qed.

Lemma ldiff_ones_r_low : forall a n, 0<=a -> log2 a < n ->
 ldiff a (ones n) == 0.
Proof.
 intros a n Ha H. bitwise. destruct (le_gt_cases n m).
 rewrite ones_spec_high, bits_above_log2; trivial.
 now apply lt_le_trans with n.
 splittrivialnow apply le_trans with (log2 a); order_pos.
 rewrite ones_spec_low, andb_false_r; try splittrivial.
Qed.

Lemma ldiff_ones_l_low : forall a n, 0<=a -> log2 a < n ->
 ldiff (ones n) a == lxor a (ones n).
Proof.
 intros a n Ha H. bitwise. destruct (le_gt_cases n m).
 rewrite ones_spec_high, bits_above_log2; trivial.
 now apply lt_le_trans with n.
 splittrivialnow apply le_trans with (log2 a); order_pos.
 rewrite ones_spec_low, xorb_true_r; try splittrivial.
Qed.

(** Bitwise operations and sign *)

Lemma shiftl_nonneg : forall a n, 0 <= (a << n) <-> 0 <= a.
Proof.
 intros a n.
 destruct (le_ge_cases 0 n) as [Hn|Hn].
 (* 0<=n *)
 rewrite 2 bits_iff_nonneg_ex. splitintros (k,Hk).
 exists (k-n). intros m Hm.
 destruct (le_gt_cases 0 m); [|now rewrite testbit_neg_r].
 rewrite <- (add_simpl_r m n), <- (shiftl_spec a n) by order_pos.
 apply Hk. now apply lt_sub_lt_add_r.
 exists (k+n). intros m Hm.
 destruct (le_gt_cases 0 m); [|now rewrite testbit_neg_r].
 rewrite shiftl_spec by trivialapply Hk. now apply lt_add_lt_sub_r.
 (* n<=0*)
 rewrite <- shiftr_opp_r, 2 bits_iff_nonneg_ex. splitintros (k,Hk).
 destruct (le_gt_cases 0 k).
 exists (k-n). intros m Hm. apply lt_sub_lt_add_r in Hm.
 rewrite <- (add_simpl_r m n), <- add_opp_r, <- (shiftr_spec a (-n)).
 now apply Hk. order.
 assert (EQ : a >> (-n) == 0).
  apply bits_inj'. intros m Hm. rewrite bits_0. apply Hk; order.
 apply shiftr_eq_0_iff in EQ.
 rewrite <- bits_iff_nonneg_ex. destruct EQ as [EQ|[LT _]]; order.
 exists (k+n). intros m Hm.
 destruct (le_gt_cases 0 m); [|now rewrite testbit_neg_r].
 rewrite shiftr_spec by trivialapply Hk.
 rewrite add_opp_r. now apply lt_add_lt_sub_r.
Qed.

Lemma shiftl_neg : forall a n, (a << n) < 0 <-> a < 0.
Proof.
 intros a n. now rewrite 2 lt_nge, shiftl_nonneg.
Qed.

Lemma shiftr_nonneg : forall a n, 0 <= (a >> n) <-> 0 <= a.
Proof.
 introsrewrite <- shiftl_opp_r. apply shiftl_nonneg.
Qed.

Lemma shiftr_neg : forall a n, (a >> n) < 0 <-> a < 0.
Proof.
 intros a n. now rewrite 2 lt_nge, shiftr_nonneg.
Qed.

Lemma div2_nonneg : forall a, 0 <= div2 a <-> 0 <= a.
Proof.
 introsrewrite div2_spec. apply shiftr_nonneg.
Qed.

Lemma div2_neg : forall a, div2 a < 0 <-> a < 0.
Proof.
 intros a. now rewrite 2 lt_nge, div2_nonneg.
Qed.

Lemma lor_nonneg : forall a b, 0 <= lor a b <-> 0<=a /\ 0<=b.
Proof.
 intros a b.
 rewrite 3 bits_iff_nonneg_ex. splitintros (k,Hk).
 splitexists k; intros m Hm; apply (orb_false_elim a.[m] b.[m]);
  rewrite <- lor_spec; now apply Hk.
 intros ((k,Hk),(k',Hk')).
 destruct (le_ge_cases k k'); [ exists k' | exists k ];
  intros m Hm; rewrite lor_spec, Hk, Hk'; trivial; order.
Qed.

Lemma lor_neg : forall a b, lor a b < 0 <-> a < 0 \/ b < 0.
Proof.
 intros a b. rewrite 3 lt_nge, lor_nonneg. split.
  apply not_and. apply le_decidable.
  now intros [H|H] (H',H'').
Qed.

Lemma lnot_nonneg : forall a, 0 <= lnot a <-> a < 0.
Proof.
 intros a; unfold lnot.
 now rewrite <- opp_succ, opp_nonneg_nonpos, le_succ_l.
Qed.

Lemma lnot_neg : forall a, lnot a < 0 <-> 0 <= a.
Proof.
 intros a. now rewrite le_ngt, lt_nge, lnot_nonneg.
Qed.

Lemma land_nonneg : forall a b, 0 <= land a b <-> 0<=a \/ 0<=b.
Proof.
 intros a b.
 now rewrite <- (lnot_involutive (land a b)), lnot_land, lnot_nonneg,
  lor_neg, !lnot_neg.
Qed.

Lemma land_neg : forall a b, land a b < 0 <-> a < 0 /\ b < 0.
Proof.
 intros a b.
 now rewrite <- (lnot_involutive (land a b)), lnot_land, lnot_neg,
  lor_nonneg, !lnot_nonneg.
Qed.

Lemma ldiff_nonneg : forall a b, 0 <= ldiff a b <-> 0<=a \/ b<0.
Proof.
 introsnow rewrite ldiff_land, land_nonneg, lnot_nonneg.
Qed.

Lemma ldiff_neg : forall a b, ldiff a b < 0 <-> a<0 /\ 0<=b.
Proof.
 introsnow rewrite ldiff_land, land_neg, lnot_neg.
Qed.

Lemma lxor_nonneg : forall a b, 0 <= lxor a b <-> (0<=a <-> 0<=b).
Proof.
 assert (H : forall a b, 0<=a -> 0<=b -> 0<=lxor a b).
  intros a b. rewrite 3 bits_iff_nonneg_ex. intros (k,Hk) (k', Hk').
  destruct (le_ge_cases k k'); [ exists k' | exists k];
   intros m Hm; rewrite lxor_spec, Hk, Hk'; trivial; order.
 assert (H' : forall a b, 0<=a -> b<0 -> lxor a b<0).
  intros a b. rewrite bits_iff_nonneg_ex, 2 bits_iff_neg_ex.
  intros (k,Hk) (k', Hk').
  destruct (le_ge_cases k k'); [ exists k' | exists k];
   intros m Hm; rewrite lxor_spec, Hk, Hk'; trivial; order.
 intros a b.
 split.
 intros Hab. split.
 intros Ha. destruct (le_gt_cases 0 b) as [Hb|Hb]; trivial.
  generalize (H' _ _ Ha Hb). order.
 intros Hb. destruct (le_gt_cases 0 a) as [Ha|Ha]; trivial.
  generalize (H' _ _ Hb Ha). rewrite lxor_comm. order.
 intros E.
 destruct (le_gt_cases 0 a) as [Ha|Ha]. apply H; trivialapply E; trivial.
 destruct (le_gt_cases 0 b) as [Hb|Hb]. apply H; trivialapply E; trivial.
 rewrite <- lxor_lnot_lnot. apply H; now apply lnot_nonneg.
Qed.

(** Bitwise operations and log2 *)

Lemma log2_bits_unique : forall a n,
 a.[n] = true ->
 (forall m, n<m -> a.[m] = false) ->
 log2 a == n.
Proof.
 intros a n H H'.
 destruct (lt_trichotomy a 0) as [Ha|[Ha|Ha]].
 (* a < 0 *)
 destruct (proj1 (bits_iff_neg_ex a) Ha) as (k,Hk).
 destruct (le_gt_cases n k).
 specialize (Hk (S k) (lt_succ_diag_r _)).
 rewrite H' in Hk. discriminateapply lt_succ_r; order.
 specialize (H' (S n) (lt_succ_diag_r _)).
 rewrite Hk in H'. discriminateapply lt_succ_r; order.
 (* a = 0 *)
 now rewrite Ha, bits_0 in H.
 (* 0 < a *)
 apply le_antisymm; apply le_ngt; intros LT.
 specialize (H' _ LT). now rewrite bit_log2 in H'.
 now rewrite bits_above_log2 in H by order.
Qed.

Lemma log2_shiftr : forall a n, 0<a -> log2 (a >> n) == max 0 (log2 a - n).
Proof.
 intros a n Ha.
 destruct (le_gt_cases 0 (log2 a - n));
   [rewrite max_r | rewrite max_l]; try order.
 apply log2_bits_unique.
 now rewrite shiftr_spec, sub_add, bit_log2.
 intros m Hm.
 destruct (le_gt_cases 0 m); [|now rewrite testbit_neg_r].
 rewrite shiftr_spec; trivialapply bits_above_log2; try order.
 now apply lt_sub_lt_add_r.
 rewrite lt_sub_lt_add_r, add_0_l in H.
 apply log2_nonpos. apply le_lteq; right.
 apply shiftr_eq_0_iff. rightnow split.
Qed.

Lemma log2_shiftl : forall a n, 0<a -> 0<=n -> log2 (a << n) == log2 a + n.
Proof.
 intros a n Ha Hn.
 rewrite shiftl_mul_pow2, add_comm by trivial.
 now apply log2_mul_pow2.
Qed.

Lemma log2_shiftl' : forall a n, 0<a -> log2 (a << n) == max 0 (log2 a + n).
Proof.
 intros a n Ha.
 rewrite <- shiftr_opp_r, log2_shiftr by trivial.
 destruct (le_gt_cases 0 (log2 a + n));
   [rewrite 2 max_r | rewrite 2 max_l]; rewrite ?sub_opp_r; try order.
Qed.

Lemma log2_lor : forall a b, 0<=a -> 0<=b ->
 log2 (lor a b) == max (log2 a) (log2 b).
Proof.
 assert (AUX : forall a b, 0<=a -> a<=b -> log2 (lor a b) == log2 b).
  intros a b Ha H.
  le_elim Ha; [|now rewrite <- Ha, lor_0_l].
  apply log2_bits_unique.
  now rewrite lor_spec, bit_log2, orb_true_r by order.
  intros m Hm. assert (H' := log2_le_mono _ _ H).
  now rewrite lor_spec, 2 bits_above_log2 by order.
 (* main *)
 intros a b Ha Hb. destruct (le_ge_cases a b) as [H|H].
 rewrite max_r by now apply log2_le_mono.
 now apply AUX.
 rewrite max_l by now apply log2_le_mono.
 rewrite lor_comm. now apply AUX.
Qed.

Lemma log2_land : forall a b, 0<=a -> 0<=b ->
 log2 (land a b) <= min (log2 a) (log2 b).
Proof.
 assert (AUX : forall a b, 0<=a -> a<=b -> log2 (land a b) <= log2 a).
  intros a b Ha Hb.
  apply le_ngt. intros LT.
  assert (H : 0 <= land a b) by (apply land_nonneg; now left).
  le_elim H.
  generalize (bit_log2 (land a b) H).
  now rewrite land_spec, bits_above_log2.
  rewrite <- H in LT. apply log2_lt_cancel in LT; order.
 (* main *)
 intros a b Ha Hb.
 destruct (le_ge_cases a b) as [H|H].
 rewrite min_l by now apply log2_le_mono. now apply AUX.
 rewrite min_r by now apply log2_le_mono. rewrite land_comm. now apply AUX.
Qed.

Lemma log2_lxor : forall a b, 0<=a -> 0<=b ->
 log2 (lxor a b) <= max (log2 a) (log2 b).
Proof.
 assert (AUX : forall a b, 0<=a -> a<=b -> log2 (lxor a b) <= log2 b).
  intros a b Ha Hb.
  apply le_ngt. intros LT.
  assert (H : 0 <= lxor a b) by (apply lxor_nonneg; split; order).
  le_elim H.
  generalize (bit_log2 (lxor a b) H).
  rewrite lxor_spec, 2 bits_above_log2; try order. discriminate.
  apply le_lt_trans with (log2 b); trivialnow apply log2_le_mono.
  rewrite <- H in LT. apply log2_lt_cancel in LT; order.
 (* main *)
 intros a b Ha Hb.
 destruct (le_ge_cases a b) as [H|H].
 rewrite max_r by now apply log2_le_mono. now apply AUX.
 rewrite max_l by now apply log2_le_mono. rewrite lxor_comm. now apply AUX.
Qed.

(** Bitwise operations and arithmetical operations *)

Local Notation xor3 a b c := (xorb (xorb a b) c).
Local Notation lxor3 a b c := (lxor (lxor a b) c).
Local Notation nextcarry a b c := ((a&&b) || (c && (a||b))).
Local Notation lnextcarry a b c := (lor (land a b) (land c (lor a b))).

Lemma add_bit0 : forall a b, (a+b).[0] = xorb a.[0] b.[0].
Proof.
 introsnow rewrite !bit0_odd, odd_add.
Qed.

Lemma add3_bit0 : forall a b c,
 (a+b+c).[0] = xor3 a.[0] b.[0] c.[0].
Proof.
 introsnow rewrite !add_bit0.
Qed.

Lemma add3_bits_div2 : forall (a0 b0 c0 : bool),
 (a0 + b0 + c0)/2 == nextcarry a0 b0 c0.
Proof.
 assert (H : 1+1 == 2) by now nzsimpl'.
 intros [|] [|] [|]; simplrewrite ?add_0_l, ?add_0_r, ?H;
  (apply div_same; order') || (apply div_small; split; order') || idtac.
 symmetryapply div_unique with 1. leftsplit; order'. now nzsimpl'.
Qed.

Lemma add_carry_div2 : forall a b (c0:bool),
 (a + b + c0)/2 == a/2 + b/2 + nextcarry a.[0] b.[0] c0.
Proof.
 intros.
 rewrite <- add3_bits_div2.
 rewrite (add_comm ((a/2)+_)).
 rewrite <- div_add by order'.
 f_equiv.
 rewrite <- !div2_div, mul_comm, mul_add_distr_l.
 rewrite (div2_odd a), <- bit0_odd at 1.
 rewrite (div2_odd b), <- bit0_odd at 1.
 rewrite add_shuffle1.
 rewrite <-(add_assoc _ _ c0). apply add_comm.
Qed.

(** The main result concerning addition: we express the bits of the sum
  in term of bits of [a] and [b] and of some carry stream which is also
  recursively determined by another equation.
*)


Lemma add_carry_bits_aux : forall n, 0<=n ->
 forall a b (c0:bool), -(2^n) <= a < 2^n -> -(2^n) <= b < 2^n ->
  exists c,
   a+b+c0 == lxor3 a b c /\ c/2 == lnextcarry a b c /\ c.[0] = c0.
Proof.
 intros n Hn. apply le_ind with (4:=Hn).
 solve_proper.
 (* base *)
 intros a b c0. rewrite !pow_0_r, !one_succ, !lt_succ_r, <- !one_succ.
 intros (Ha1,Ha2) (Hb1,Hb2).
 le_elim Ha1; rewrite <- ?le_succ_l, ?succ_m1 in Ha1;
  le_elim Hb1; rewrite <- ?le_succ_l, ?succ_m1 in Hb1.
 (* base, a = 0, b = 0 *)
 exists c0.
 rewrite (le_antisymm _ _ Ha2 Ha1), (le_antisymm _ _ Hb2 Hb1).
 rewrite !add_0_l, !lxor_0_l, !lor_0_r, !land_0_r, !lor_0_r.
 rewrite b2z_div2, b2z_bit0; now repeat split.
 (* base, a = 0, b = -1 *)
 exists (-c0). rewrite <- Hb1, (le_antisymm _ _ Ha2 Ha1). repeat split.
 rewrite add_0_l, lxor_0_l, lxor_m1_l.
 unfold lnot. now rewrite opp_involutive, add_comm, add_opp_r, sub_1_r.
 rewrite land_0_l, !lor_0_l, land_m1_r.
 symmetryapply div_unique with c0. leftdestruct c0; simplsplit; order'.
  now rewrite two_succ, mul_succ_l, mul_1_l, add_opp_r, sub_add.
 rewrite bit0_odd, odd_opp; destruct c0; simplapply odd_1 || apply odd_0.
 (* base, a = -1, b = 0 *)
 exists (-c0). rewrite <- Ha1, (le_antisymm _ _ Hb2 Hb1). repeat split.
 rewrite add_0_r, lxor_0_r, lxor_m1_l.
 unfold lnot. now rewrite opp_involutive, add_comm, add_opp_r, sub_1_r.
 rewrite land_0_r, lor_0_r, lor_0_l, land_m1_r.
 symmetryapply div_unique with c0. leftdestruct c0; simplsplit; order'.
  now rewrite two_succ, mul_succ_l, mul_1_l, add_opp_r, sub_add.
 rewrite bit0_odd, odd_opp; destruct c0; simplapply odd_1 || apply odd_0.
 (* base, a = -1, b = -1 *)
 exists (c0 + 2*(-1)). rewrite <- Ha1, <- Hb1. repeat split.
 rewrite lxor_m1_l, lnot_m1, lxor_0_l.
 now rewrite two_succ, mul_succ_l, mul_1_l, add_comm, add_assoc.
 rewrite land_m1_l, lor_m1_l.
 apply add_b2z_double_div2.
 apply add_b2z_double_bit0.
 (* step *)
 clear n Hn. intros n Hn IH a b c0 Ha Hb.
 set (c1:=nextcarry a.[0] b.[0] c0).
 destruct (IH (a/2) (b/2) c1) as (c & IH1 & IH2 & Hc); clear IH.
 split.
 apply div_le_lower_bound. order'. now rewrite mul_opp_r, <- pow_succ_r.
 apply div_lt_upper_bound. order'. now rewrite <- pow_succ_r.
 split.
 apply div_le_lower_bound. order'. now rewrite mul_opp_r, <- pow_succ_r.
 apply div_lt_upper_bound. order'. now rewrite <- pow_succ_r.
 exists (c0 + 2*c). repeat split.
 (* step, add *)
 bitwise.
 le_elim Hm.
 rewrite <- (succ_pred m), lt_succ_r in Hm.
 rewrite <- (succ_pred m), <- !div2_bits, <- 2 lxor_spec by trivial.
 f_equiv.
 rewrite add_b2z_double_div2, <- IH1. apply add_carry_div2.
 rewrite <- Hm.
 now rewrite add_b2z_double_bit0, add3_bit0, b2z_bit0.
 (* step, carry *)
 rewrite add_b2z_double_div2.
 bitwise.
 le_elim Hm.
 rewrite <- (succ_pred m), lt_succ_r in Hm.
 rewrite <- (succ_pred m), <- !div2_bits, IH2 by trivial.
 autorewrite with bitwise. now rewrite add_b2z_double_div2.
 rewrite <- Hm.
 now rewrite add_b2z_double_bit0.
 (* step, carry0 *)
 apply add_b2z_double_bit0.
Qed.

Lemma add_carry_bits : forall a b (c0:bool), exists c,
 a+b+c0 == lxor3 a b c /\ c/2 == lnextcarry a b c /\ c.[0] = c0.
Proof.
 intros a b c0.
 set (n := max (abs a) (abs b)).
 apply (add_carry_bits_aux n).
 (* positivity *)
 unfold n.
 destruct (le_ge_cases (abs a) (abs b));
  [rewrite max_r|rewrite max_l]; order_pos'.
 (* bound for a *)
 assert (Ha : abs a < 2^n).
  apply lt_le_trans with (2^(abs a)). apply pow_gt_lin_r; order_pos'.
  apply pow_le_mono_r. order'. unfold n.
  destruct (le_ge_cases (abs a) (abs b));
   [rewrite max_r|rewrite max_l]; try order.
 apply abs_lt in Ha. destruct Ha; split; order.
 (* bound for b *)
 assert (Hb : abs b < 2^n).
  apply lt_le_trans with (2^(abs b)). apply pow_gt_lin_r; order_pos'.
  apply pow_le_mono_r. order'. unfold n.
  destruct (le_ge_cases (abs a) (abs b));
   [rewrite max_r|rewrite max_l]; try order.
 apply abs_lt in Hb. destruct Hb; split; order.
Qed.

(** Particular case : the second bit of an addition *)

Lemma add_bit1 : forall a b,
 (a+b).[1] = xor3 a.[1] b.[1] (a.[0] && b.[0]).
Proof.
 intros a b.
 destruct (add_carry_bits a b false) as (c & EQ1 & EQ2 & Hc).
 simpl in EQ1; rewrite add_0_r in EQ1. rewrite EQ1.
 autorewrite with bitwise. f_equal.
 rewrite one_succ, <- div2_bits, EQ2 by order.
 autorewrite with bitwise.
 rewrite Hc. simplapply orb_false_r.
Qed.

(** In an addition, there will be no carries iff there is
  no common bits in the numbers to add *)


Lemma nocarry_equiv : forall a b c,
 c/2 == lnextcarry a b c -> c.[0] = false ->
 (c == 0 <-> land a b == 0).
Proof.
 intros a b c H H'.
 splitintros EQ; rewrite EQ in *.
 rewrite div_0_l in H by order'.
 symmetry in H. now apply lor_eq_0_l in H.
 intros EQ. rewrite EQ, lor_0_l in H.
 apply bits_inj'. intros n Hn. rewrite bits_0.
 apply le_ind with (4:=Hn).
 solve_proper.
 trivial.
 clear n Hn. intros n Hn IH.
 rewrite <- div2_bits, H; trivial.
 autorewrite with bitwise.
 now rewrite IH.
Qed.

(** When there is no common bits, the addition is just a xor *)

Lemma add_nocarry_lxor : forall a b, land a b == 0 ->
 a+b == lxor a b.
Proof.
 intros a b H.
 destruct (add_carry_bits a b false) as (c & EQ1 & EQ2 & Hc).
 simpl in EQ1; rewrite add_0_r in EQ1. rewrite EQ1.
 apply (nocarry_equiv a b c) in H; trivial.
 rewrite H. now rewrite lxor_0_r.
Qed.

(** A null [ldiff] implies being smaller *)

Lemma ldiff_le : forall a b, 0<=b -> ldiff a b == 0 -> 0 <= a <= b.
Proof.
 assert (AUX : forall n, 0<=n ->
          forall a b, 0 <= a < 2^n -> 0<=b -> ldiff a b == 0 -> a <= b).
 intros n Hn. apply le_ind with (4:=Hn); clear n Hn.
 solve_proper.
 intros a b Ha Hb _. rewrite pow_0_r, one_succ, lt_succ_r in Ha.
 setoid_replace a with 0 by (destruct Ha; order'); trivial.
 intros n Hn IH a b (Ha,Ha') Hb H.
 assert (NEQ : 2 ~= 0) by order'.
 rewrite (div_mod a 2 NEQ), (div_mod b 2 NEQ).
 apply add_le_mono.
 apply mul_le_mono_pos_l; try order'.
 apply IH.
 splitapply div_pos; order'.
 apply div_lt_upper_bound; try order'. now rewrite <- pow_succ_r.
 apply div_pos; order'.
 rewrite <- (pow_1_r 2), <- 2 shiftr_div_pow2 by order'.
 rewrite <- shiftr_ldiff, H, shiftr_div_pow2, pow_1_r, div_0_l; order'.
 rewrite <- 2 bit0_mod.
 apply bits_inj_iff in H. specialize (H 0).
 rewrite ldiff_spec, bits_0 in H.
 destruct a.[0], b.[0]; try discriminatesimpl; order'.
 (* main *)
 intros a b Hb Hd.
 assert (Ha : 0<=a).
  apply le_ngt; intros Ha'. apply (lt_irrefl 0). rewrite <- Hd at 1.
  apply ldiff_neg. now split.
 splittrivialapply (AUX a); try splittrivialapply pow_gt_lin_r; order'.
Qed.

(** Subtraction can be a ldiff when the opposite ldiff is null. *)

Lemma sub_nocarry_ldiff : forall a b, ldiff b a == 0 ->
 a-b == ldiff a b.
Proof.
 intros a b H.
 apply add_cancel_r with b.
 rewrite sub_add.
 symmetry.
 rewrite add_nocarry_lxor; trivial.
 bitwise.
 apply bits_inj_iff in H. specialize (H m).
 rewrite ldiff_spec, bits_0 in H.
 now destruct a.[m], b.[m].
 apply land_ldiff.
Qed.

(** Adding numbers with no common bits cannot lead to a much bigger number *)

Lemma add_nocarry_lt_pow2 : forall a b n, land a b == 0 ->
 a < 2^n -> b < 2^n -> a+b < 2^n.
Proof.
 intros a b n H Ha Hb.
 destruct (le_gt_cases a 0) as [Ha'|Ha'].
 apply le_lt_trans with (0+b). now apply add_le_mono_r. now nzsimpl.
 destruct (le_gt_cases b 0) as [Hb'|Hb'].
 apply le_lt_trans with (a+0). now apply add_le_mono_l. now nzsimpl.
 rewrite add_nocarry_lxor by order.
 destruct (lt_ge_cases 0 (lxor a b)); [|apply le_lt_trans with 0; order_pos].
 apply log2_lt_pow2; trivial.
 apply log2_lt_pow2 in Ha; trivial.
 apply log2_lt_pow2 in Hb; trivial.
 apply le_lt_trans with (max (log2 a) (log2 b)).
 apply log2_lxor; order.
 destruct (le_ge_cases (log2 a) (log2 b));
  [rewrite max_r|rewrite max_l]; order.
Qed.

Lemma add_nocarry_mod_lt_pow2 : forall a b n, 0<=n -> land a b == 0 ->
 a mod 2^n + b mod 2^n < 2^n.
Proof.
 intros a b n Hn H.
 apply add_nocarry_lt_pow2.
 bitwise.
 destruct (le_gt_cases n m).
 rewrite mod_pow2_bits_high; now split.
 now rewrite !mod_pow2_bits_low, <- land_spec, H, bits_0.
 apply mod_pos_bound; order_pos.
 apply mod_pos_bound; order_pos.
Qed.

End ZBitsProp.

¤ Diese beiden folgenden Angebotsgruppen bietet das Unternehmen0.70Angebot  Wie Sie bei der Firma Beratungs- und Dienstleistungen beauftragen können  ¤





Druckansicht
unsichere Verbindung
Druckansicht
Hier finden Sie eine Liste der Produkte des Unternehmens

Mittel




Lebenszyklus

Die hierunter aufgelisteten Ziele sind für diese Firma wichtig


Ziele

Entwicklung einer Software für die statische Quellcodeanalyse


Bot Zugriff