Quelle  Relation.thy   Sprache: Isabelle

(*  Title:      HOL/Relation.thy
    Author:     Lawrence C Paulson, Cambridge University Computer Laboratory
    Author:     Stefan Berghofer, TU Muenchen
    Author:     Martin Desharnais, MPI-INF Saarbruecken
*)

section ‹Relations -- as sets of pairs, and binary predicates›

theory Relation
  imports Product_Type Sum_Type Fields
begin

text ‹A preliminary: classical rules for reasoning on predicates›

declare predicate1I [Pure.intro!, intro!]
declare predicate1D [Pure.dest, dest]
declare predicate2I [Pure.intro!, intro!]
declare predicate2D [Pure.dest, dest]
declare bot1E [elim!]
declare bot2E [elim!]
declare top1I [intro!]
declare top2I [intro!]
declare inf1I [intro!]
declare inf2I [intro!]
declare inf1E [elim!]
declare inf2E [elim!]
declare sup1I1 [intro?]
declare sup2I1 [intro?]
declare sup1I2 [intro?]
declare sup2I2 [intro?]
declare sup1E [elim!]
declare sup2E [elim!]
declare sup1CI [intro!]
declare sup2CI [intro!]
declare Inf1_I [intro!]
declare INF1_I [intro!]
declare Inf2_I [intro!]
declare INF2_I [intro!]
declare Inf1_D [elim]
declare INF1_D [elim]
declare Inf2_D [elim]
declare INF2_D [elim]
declare Inf1_E [elim]
declare INF1_E [elim]
declare Inf2_E [elim]
declare INF2_E [elim]
declare Sup1_I [intro]
declare SUP1_I [intro]
declare Sup2_I [intro]
declare SUP2_I [intro]
declare Sup1_E [elim!]
declare SUP1_E [elim!]
declare Sup2_E [elim!]
declare SUP2_E [elim!]


subsection ‹Fundamental›

subsubsection ‹Relations as sets of pairs›

type_synonym 'a rel = "('a × 'a) set"

lemma subrelI: "(\x y. (x, y) \ r \ (x, y) \ s) \ r \ s"
  🍋 ‹Version of @{thm [source] subsetI} for binary relations›
  by auto

lemma lfp_induct2:
  "(a, b) \ lfp f \ mono f \
    (∧a b. (a, b) ∈ f (lfp f ∩ {(x, y). P x y}) ==> P a b) ==> P a b"
  🍋 ‹Version of @{thm [source] lfp_induct} for binary relations›
  using lfp_induct_set [of "(a, b)" f "case_prod P"] by auto


subsubsection ‹Conversions between set and predicate relations›

lemma pred_equals_eq [pred_set_conv]: "(\x. x \ R) = (\x. x \ S) \ R = S"
  by (simp add: set_eq_iff fun_eq_iff)

lemma pred_equals_eq2 [pred_set_conv]: "(\x y. (x, y) \ R) = (\x y. (x, y) \ S) \ R = S"
  by (simp add: set_eq_iff fun_eq_iff)

lemma pred_subset_eq [pred_set_conv]: "(\x. x \ R) \ (\x. x \ S) \ R \ S"
  by (simp add: subset_iff le_fun_def)

lemma pred_subset_eq2 [pred_set_conv]: "(\x y. (x, y) \ R) \ (\x y. (x, y) \ S) \ R \ S"
  by (simp add: subset_iff le_fun_def)

lemma bot_empty_eq [pred_set_conv]: "\ = (\x. x \ {})"
  by (auto simp add: fun_eq_iff)

lemma bot_empty_eq2 [pred_set_conv]: "\ = (\x y. (x, y) \ {})"
  by (auto simp add: fun_eq_iff)

lemma top_empty_eq: "\ = (\x. x \ UNIV)"
  by (auto simp add: fun_eq_iff)

lemma top_empty_eq2: "\ = (\x y. (x, y) \ UNIV)"
  by (auto simp add: fun_eq_iff)

lemma inf_Int_eq [pred_set_conv]: "(\x. x \ R) \ (\x. x \ S) = (\x. x \ R \ S)"
  by (simp add: inf_fun_def)

lemma inf_Int_eq2 [pred_set_conv]: "(\x y. (x, y) \ R) \ (\x y. (x, y) \ S) = (\x y. (x, y) \ R \ S)"
  by (simp add: inf_fun_def)

lemma sup_Un_eq [pred_set_conv]: "(\x. x \ R) \ (\x. x \ S) = (\x. x \ R \ S)"
  by (simp add: sup_fun_def)

lemma sup_Un_eq2 [pred_set_conv]: "(\x y. (x, y) \ R) \ (\x y. (x, y) \ S) = (\x y. (x, y) \ R \ S)"
  by (simp add: sup_fun_def)

lemma INF_INT_eq [pred_set_conv]: "(\i\S. (\x. x \ r i)) = (\x. x \ (\i\S. r i))"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma INF_INT_eq2 [pred_set_conv]: "(\i\S. (\x y. (x, y) \ r i)) = (\x y. (x, y) \ (\i\S. r i))"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma SUP_UN_eq [pred_set_conv]: "(\i\S. (\x. x \ r i)) = (\x. x \ (\i\S. r i))"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma SUP_UN_eq2 [pred_set_conv]: "(\i\S. (\x y. (x, y) \ r i)) = (\x y. (x, y) \ (\i\S. r i))"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma Inf_INT_eq [pred_set_conv]: "\S = (\x. x \ (\(Collect ` S)))"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma INF_Int_eq [pred_set_conv]: "(\i\S. (\x. x \ i)) = (\x. x \ \S)"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma Inf_INT_eq2 [pred_set_conv]: "\S = (\x y. (x, y) \ (\(Collect ` case_prod ` S)))"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma INF_Int_eq2 [pred_set_conv]: "(\i\S. (\x y. (x, y) \ i)) = (\x y. (x, y) \ \S)"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma Sup_SUP_eq [pred_set_conv]: "\S = (\x. x \ \(Collect ` S))"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma SUP_Sup_eq [pred_set_conv]: "(\i\S. (\x. x \ i)) = (\x. x \ \S)"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma Sup_SUP_eq2 [pred_set_conv]: "\S = (\x y. (x, y) \ (\(Collect ` case_prod ` S)))"
  by (simp add: fun_eq_iff)

lemma SUP_Sup_eq2 [pred_set_conv]: "(\i\S. (\x y. (x, y) \ i)) = (\x y. (x, y) \ \S)"
  by (simp add: fun_eq_iff)


subsection ‹Properties of relations›

subsubsection ‹Reflexivity›

definition refl_on :: "'a set \ 'a rel \ bool"
  where "refl_on A r \ (\x\A. (x, x) \ r)"

abbreviation refl :: "'a rel \ bool" 🍋 ‹reflexivity over a type›
  where "refl \ refl_on UNIV"

definition reflp_on :: "'a set \ ('a \ 'a \ bool) \ bool"
  where "reflp_on A R \ (\x\A. R x x)"

abbreviation reflp :: "('a \ 'a \ bool) \ bool"
  where "reflp \ reflp_on UNIV"

lemma reflp_def[no_atp]: "reflp R \ (\x. R x x)"
  by (simp add: reflp_on_def)

text ‹@{thm [source] reflp_def} is for backward compatibility.›

lemma reflp_on_refl_on_eq[pred_set_conv]: "reflp_on A (\a b. (a, b) \ r) \ refl_on A r"
  by (simp add: refl_on_def reflp_on_def)

lemmas reflp_refl_eq = reflp_on_refl_on_eq[of UNIV]

lemma refl_onI [intro?]: "(\x. x \ A \ (x, x) \ r) \ refl_on A r"
  unfolding refl_on_def by (iprover intro!: ballI)

lemma reflI: "(\x. (x, x) \ r) \ refl r"
  by (auto intro: refl_onI)

lemma reflp_onI:
  "(\x. x \ A \ R x x) \ reflp_on A R"
  by (simp add: reflp_on_def)

lemma reflpI[intro?]: "(\x. R x x) \ reflp R"
  by (rule reflp_onI)

lemma refl_onD: "refl_on A r \ a \ A \ (a, a) \ r"
  unfolding refl_on_def by blast

lemma reflD: "refl r \ (a, a) \ r"
  unfolding refl_on_def by blast

lemma reflp_onD:
  "reflp_on A R \ x \ A \ R x x"
  by (simp add: reflp_on_def)

lemma reflpD[dest?]: "reflp R \ R x x"
  by (simp add: reflp_onD)

lemma reflpE:
  assumes "reflp r"
  obtains "r x x"
  using assms by (auto dest: refl_onD simp add: reflp_def)

lemma refl_on_top[simp]: "refl_on A \"
  by (simp add: refl_on_def)

lemma reflp_on_top[simp]: "reflp_on A \"
  by (simp add: reflp_on_def)

lemma reflp_on_mono_strong:
  "reflp_on B R \ A \ B \ (\x y. x \ A \ y \ A \ R x y \ Q x y) \ reflp_on A Q"
  by (rule reflp_onI) (auto dest: reflp_onD)

lemma reflp_on_mono[mono]: "A \ B \ R \ Q \ reflp_on B R \ reflp_on A Q"
  by (simp add: reflp_on_mono_strong le_fun_def)

lemma reflp_on_subset: "reflp_on B R \ A \ B \ reflp_on A R"
  using reflp_on_mono_strong .

lemma reflp_on_image: "reflp_on (f ` A) R \ reflp_on A (\a b. R (f a) (f b))"
  by (simp add: reflp_on_def)

lemma refl_on_Int: "refl_on A r \ refl_on B s \ refl_on (A \ B) (r \ s)"
  unfolding refl_on_def by blast

lemma reflp_on_inf: "reflp_on A R \ reflp_on B S \ reflp_on (A \ B) (R \ S)"
  by (auto intro: reflp_onI dest: reflp_onD)

lemma reflp_inf: "reflp r \ reflp s \ reflp (r \ s)"
  by (rule reflp_on_inf[of UNIV _ UNIV, unfolded Int_absorb])

lemma refl_on_Un: "refl_on A r \ refl_on B s \ refl_on (A \ B) (r \ s)"
  unfolding refl_on_def by blast

lemma reflp_on_sup: "reflp_on A R \ reflp_on B S \ reflp_on (A \ B) (R \ S)"
  by (auto intro: reflp_onI dest: reflp_onD)

lemma reflp_sup: "reflp r \ reflp s \ reflp (r \ s)"
  by (rule reflp_on_sup[of UNIV _ UNIV, unfolded Un_absorb])

lemma refl_on_INTER: "\x\S. refl_on (A x) (r x) \ refl_on (\(A ` S)) (\(r ` S))"
  unfolding refl_on_def by fast

lemma reflp_on_Inf: "\x\S. reflp_on (A x) (R x) \ reflp_on (\(A ` S)) (\(R ` S))"
  by (auto intro: reflp_onI dest: reflp_onD)

lemma refl_on_UNION: "\x\S. refl_on (A x) (r x) \ refl_on (\(A ` S)) (\(r ` S))"
  unfolding refl_on_def by blast

lemma reflp_on_Sup: "\x\S. reflp_on (A x) (R x) \ reflp_on (\(A ` S)) (\(R ` S))"
  by (auto intro: reflp_onI dest: reflp_onD)

lemma refl_on_empty [simp]: "refl_on {} r"
  by (simp add: refl_on_def)

lemma reflp_on_empty [simp]: "reflp_on {} R"
  by (auto intro: reflp_onI)

lemma refl_on_singleton [simp]: "refl_on {x} {(x, x)}"
by (blast intro: refl_onI)

lemma reflp_on_equality [simp]: "reflp_on A (=)"
  by (simp add: reflp_on_def)

lemma (in preorder) reflp_on_le[simp]: "reflp_on A (\)"
  by (simp add: reflp_onI)

lemma (in preorder) reflp_on_ge[simp]: "reflp_on A (\)"
  by (simp add: reflp_onI)


subsubsection ‹Irreflexivity›

definition irrefl_on :: "'a set \ 'a rel \ bool" where
  "irrefl_on A r \ (\a \ A. (a, a) \ r)"

abbreviation irrefl :: "'a rel \ bool" where
  "irrefl \ irrefl_on UNIV"

definition irreflp_on :: "'a set \ ('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "irreflp_on A R \ (\a \ A. \ R a a)"

abbreviation irreflp :: "('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "irreflp \ irreflp_on UNIV"

lemma irrefl_def[no_atp]: "irrefl r \ (\a. (a, a) \ r)"
  by (simp add: irrefl_on_def)

lemma irreflp_def[no_atp]: "irreflp R \ (\a. \ R a a)"
  by (simp add: irreflp_on_def)

text ‹@{thm [source] irrefl_def} and @{thm [source] irreflp_def} are for backward compatibility.›

lemma irreflp_on_irrefl_on_eq [pred_set_conv]: "irreflp_on A (\a b. (a, b) \ r) \ irrefl_on A r"
  by (simp add: irrefl_on_def irreflp_on_def)

lemmas irreflp_irrefl_eq = irreflp_on_irrefl_on_eq[of UNIV]

lemma irrefl_onI: "(\a. a \ A \ (a, a) \ r) \ irrefl_on A r"
  by (simp add: irrefl_on_def)

lemma irreflI[intro?]: "(\a. (a, a) \ r) \ irrefl r"
  by (rule irrefl_onI[of UNIV, simplified])

lemma irreflp_onI: "(\a. a \ A \ \ R a a) \ irreflp_on A R"
  by (rule irrefl_onI[to_pred])

lemma irreflpI[intro?]: "(\a. \ R a a) \ irreflp R"
  by (rule irreflI[to_pred])

lemma irrefl_onD: "irrefl_on A r \ a \ A \ (a, a) \ r"
  by (simp add: irrefl_on_def)

lemma irreflD: "irrefl r \ (x, x) \ r"
  by (rule irrefl_onD[of UNIV, simplified])

lemma irreflp_onD: "irreflp_on A R \ a \ A \ \ R a a"
  by (rule irrefl_onD[to_pred])

lemma irreflpD: "irreflp R \ \ R x x"
  by (rule irreflD[to_pred])

lemma irrefl_on_bot[simp]: "irrefl_on A \"
  by (simp add: irrefl_on_def)

lemma irreflp_on_bot[simp]: "irreflp_on A \"
  using irrefl_on_bot[to_pred] .

lemma irrefl_on_distinct [code]: "irrefl_on A r \ (\(a, b) \ r. a \ A \ b \ A \ a \ b)"
  by (auto simp add: irrefl_on_def)

lemmas irrefl_distinct = irrefl_on_distinct 🍋 ‹For backward compatibility›

lemma irreflp_on_mono_strong:
  "irreflp_on B Q \ A \ B \ (\x y. x \ A \ y \ A \ R x y \ Q x y) \ irreflp_on A R"
  by (rule irreflp_onI) (auto dest: irreflp_onD)

lemma irreflp_on_mono[mono]: "A \ B \ R \ Q \ irreflp_on B Q \ irreflp_on A R"
  by (simp add: irreflp_on_mono_strong le_fun_def)

lemma irrefl_on_subset: "irrefl_on B r \ A \ B \ irrefl_on A r"
  by (auto simp: irrefl_on_def)

lemma irreflp_on_subset: "irreflp_on B R \ A \ B \ irreflp_on A R"
  using irreflp_on_mono_strong .

lemma irreflp_on_image: "irreflp_on (f ` A) R \ irreflp_on A (\a b. R (f a) (f b))"
  by (simp add: irreflp_on_def)

lemma (in preorder) irreflp_on_less[simp]: "irreflp_on A (<)"
  by (simp add: irreflp_onI)

lemma (in preorder) irreflp_on_greater[simp]: "irreflp_on A (>)"
  by (simp add: irreflp_onI)


subsubsection ‹Asymmetry›

definition asym_on :: "'a set \ 'a rel \ bool" where
  "asym_on A r \ (\x \ A. \y \ A. (x, y) \ r \ (y, x) \ r)"

abbreviation asym :: "'a rel \ bool" where
  "asym \ asym_on UNIV"

definition asymp_on :: "'a set \ ('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "asymp_on A R \ (\x \ A. \y \ A. R x y \ \ R y x)"

abbreviation asymp :: "('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "asymp \ asymp_on UNIV"

lemma asymp_on_asym_on_eq[pred_set_conv]: "asymp_on A (\x y. (x, y) \ r) \ asym_on A r"
  by (simp add: asymp_on_def asym_on_def)

lemmas asymp_asym_eq = asymp_on_asym_on_eq[of UNIV] 🍋 ‹For backward compatibility›

lemma asym_onI[intro]:
  "(\x y. x \ A \ y \ A \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r) \ asym_on A r"
  by (simp add: asym_on_def)

lemma asymI[intro]: "(\x y. (x, y) \ r \ (y, x) \ r) \ asym r"
  by (simp add: asym_onI)

lemma asymp_onI[intro]:
  "(\x y. x \ A \ y \ A \ R x y \ \ R y x) \ asymp_on A R"
  by (rule asym_onI[to_pred])

lemma asympI[intro]: "(\x y. R x y \ \ R y x) \ asymp R"
  by (rule asymI[to_pred])

lemma asym_onD: "asym_on A r \ x \ A \ y \ A \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r"
  by (simp add: asym_on_def)

lemma asymD: "asym r \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r"
  by (simp add: asym_onD)

lemma asymp_onD: "asymp_on A R \ x \ A \ y \ A \ R x y \ \ R y x"
  by (rule asym_onD[to_pred])

lemma asympD: "asymp R \ R x y \ \ R y x"
  by (rule asymD[to_pred])

lemma asym_on_bot[simp]: "asym_on A \"
  by (simp add: asym_on_def)

lemma asymp_on_bot[simp]: "asymp_on A \"
  using asym_on_bot[to_pred] .

lemma asym_iff: "asym r \ (\x y. (x,y) \ r \ (y,x) \ r)"
  by (blast dest: asymD)

lemma asymp_on_mono_strong:
  "asymp_on B Q \ A \ B \ (\x y. x \ A \ y \ A \ R x y \ Q x y) \ asymp_on A R"
  by (rule asymp_onI) (auto dest: asymp_onD)

lemma asymp_on_mono[mono]: "A \ B \ R \ Q \ asymp_on B Q \ asymp_on A R"
  by (simp add: asymp_on_mono_strong le_fun_def)

lemma asym_on_subset: "asym_on B r \ A \ B \ asym_on A r"
  by (auto simp: asym_on_def)

lemma asymp_on_subset: "asymp_on B R \ A \ B \ asymp_on A R"
  using asymp_on_mono_strong .

lemma asymp_on_image: "asymp_on (f ` A) R \ asymp_on A (\a b. R (f a) (f b))"
  by (simp add: asymp_on_def)

lemma irrefl_on_if_asym_on[simp]: "asym_on A r \ irrefl_on A r"
  by (auto intro: irrefl_onI dest: asym_onD)

lemma irreflp_on_if_asymp_on[simp]: "asymp_on A r \ irreflp_on A r"
  by (rule irrefl_on_if_asym_on[to_pred])

lemma (in preorder) asymp_on_less[simp]: "asymp_on A (<)"
  by (auto intro: dual_order.asym)

lemma (in preorder) asymp_on_greater[simp]: "asymp_on A (>)"
  by (auto intro: dual_order.asym)


subsubsection ‹Symmetry›

definition sym_on :: "'a set \ 'a rel \ bool" where
  "sym_on A r \ (\x \ A. \y \ A. (x, y) \ r \ (y, x) \ r)"

abbreviation sym :: "'a rel \ bool" where
  "sym \ sym_on UNIV"

definition symp_on :: "'a set \ ('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "symp_on A R \ (\x \ A. \y \ A. R x y \ R y x)"

abbreviation symp :: "('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "symp \ symp_on UNIV"

lemma sym_def[no_atp]: "sym r \ (\x y. (x, y) \ r \ (y, x) \ r)"
  by (simp add: sym_on_def)

lemma symp_def[no_atp]: "symp R \ (\x y. R x y \ R y x)"
  by (simp add: symp_on_def)

text ‹@{thm [source] sym_def} and @{thm [source] symp_def} are for backward compatibility.›

lemma symp_on_sym_on_eq[pred_set_conv]: "symp_on A (\x y. (x, y) \ r) \ sym_on A r"
  by (simp add: sym_on_def symp_on_def)

lemmas symp_sym_eq = symp_on_sym_on_eq[of UNIV] 🍋 ‹For backward compatibility›

lemma sym_onI: "(\x y. x \ A \ y \ A \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r) \ sym_on A r"
  by (simp add: sym_on_def)

lemma symI [intro?]: "(\x y. (x, y) \ r \ (y, x) \ r) \ sym r"
  by (simp add: sym_onI)

lemma symp_onI: "(\x y. x \ A \ y \ A \ R x y \ R y x) \ symp_on A R"
  by (rule sym_onI[to_pred])

lemma sympI [intro?]: "(\x y. R x y \ R y x) \ symp R"
  by (rule symI[to_pred])

lemma symE:
  assumes "sym r" and "(b, a) \ r"
  obtains "(a, b) \ r"
  using assms by (simp add: sym_def)

lemma sympE:
  assumes "symp r" and "r b a"
  obtains "r a b"
  using assms by (rule symE [to_pred])

lemma sym_onD: "sym_on A r \ x \ A \ y \ A \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r"
  by (simp add: sym_on_def)

lemma symD [dest?]: "sym r \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r"
  by (simp add: sym_onD)

lemma symp_onD: "symp_on A R \ x \ A \ y \ A \ R x y \ R y x"
  by (rule sym_onD[to_pred])

lemma sympD [dest?]: "symp R \ R x y \ R y x"
  by (rule symD[to_pred])

lemma sym_on_bot[simp]: "sym_on A \"
  by (simp add: sym_on_def)

lemma symp_on_bot[simp]: "symp_on A \"
  using sym_on_bot[to_pred] .

lemma sym_on_top[simp]: "sym_on A \"
  by (simp add: sym_on_def)

lemma symp_on_top[simp]: "symp_on A \"
  by (simp add: symp_on_def)

lemma sym_on_subset: "sym_on B r \ A \ B \ sym_on A r"
  by (auto simp: sym_on_def)

lemma symp_on_subset: "symp_on B R \ A \ B \ symp_on A R"
  by (auto simp: symp_on_def)

lemma symp_on_image: "symp_on (f ` A) R \ symp_on A (\a b. R (f a) (f b))"
  by (simp add: symp_on_def)

lemma symp_on_equality[simp]: "symp_on A (=)"
  by (simp add: symp_on_def)

lemma sym_Int: "sym r \ sym s \ sym (r \ s)"
  by (fast intro: symI elim: symE)

lemma symp_inf: "symp r \ symp s \ symp (r \ s)"
  by (fact sym_Int [to_pred])

lemma sym_Un: "sym r \ sym s \ sym (r \ s)"
  by (fast intro: symI elim: symE)

lemma symp_sup: "symp r \ symp s \ symp (r \ s)"
  by (fact sym_Un [to_pred])

lemma sym_INTER: "\x\S. sym (r x) \ sym (\(r ` S))"
  by (fast intro: symI elim: symE)

lemma symp_INF: "\x\S. symp (r x) \ symp (\(r ` S))"
  by (fact sym_INTER [to_pred])

lemma sym_UNION: "\x\S. sym (r x) \ sym (\(r ` S))"
  by (fast intro: symI elim: symE)

lemma symp_SUP: "\x\S. symp (r x) \ symp (\(r ` S))"
  by (fact sym_UNION [to_pred])


subsubsection ‹Antisymmetry›

definition antisym_on :: "'a set \ 'a rel \ bool" where
  "antisym_on A r \ (\x \ A. \y \ A. (x, y) \ r \ (y, x) \ r \ x = y)"

abbreviation antisym :: "'a rel \ bool" where
  "antisym \ antisym_on UNIV"

definition antisymp_on :: "'a set \ ('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "antisymp_on A R \ (\x \ A. \y \ A. R x y \ R y x \ x = y)"

abbreviation antisymp :: "('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "antisymp \ antisymp_on UNIV"

lemma antisym_def[no_atp]: "antisym r \ (\x y. (x, y) \ r \ (y, x) \ r \ x = y)"
  by (simp add: antisym_on_def)

lemma antisymp_def[no_atp]: "antisymp R \ (\x y. R x y \ R y x \ x = y)"
  by (simp add: antisymp_on_def)

text ‹@{thm [source] antisym_def} and @{thm [source] antisymp_def} are for backward compatibility.›

lemma antisymp_on_antisym_on_eq[pred_set_conv]:
  "antisymp_on A (\x y. (x, y) \ r) \ antisym_on A r"
  by (simp add: antisym_on_def antisymp_on_def)

lemmas antisymp_antisym_eq = antisymp_on_antisym_on_eq[of UNIV] 🍋 ‹For backward compatibility›

lemma antisym_onI:
  "(\x y. x \ A \ y \ A \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r \ x = y) \ antisym_on A r"
  unfolding antisym_on_def by simp

lemma antisymI [intro?]:
  "(\x y. (x, y) \ r \ (y, x) \ r \ x = y) \ antisym r"
  by (simp add: antisym_onI)

lemma antisymp_onI:
  "(\x y. x \ A \ y \ A \ R x y \ R y x \ x = y) \ antisymp_on A R"
  by (rule antisym_onI[to_pred])

lemma antisympI [intro?]:
  "(\x y. R x y \ R y x \ x = y) \ antisymp R"
  by (rule antisymI[to_pred])
    
lemma antisym_onD:
  "antisym_on A r \ x \ A \ y \ A \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r \ x = y"
  by (simp add: antisym_on_def)

lemma antisymD [dest?]:
  "antisym r \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r \ x = y"
  by (simp add: antisym_onD)

lemma antisymp_onD:
  "antisymp_on A R \ x \ A \ y \ A \ R x y \ R y x \ x = y"
  by (rule antisym_onD[to_pred])

lemma antisympD [dest?]:
  "antisymp R \ R x y \ R y x \ x = y"
  by (rule antisymD[to_pred])

lemma antisym_on_bot[simp]: "antisym_on A \"
  by (simp add: antisym_on_def)

lemma antisymp_on_bot[simp]: "antisymp_on A \"
  using antisym_on_bot[to_pred] .

lemma antisymp_on_mono_stronger:
  fixes
    A :: "'a set" and R :: "'a \ 'a \ bool" and
    B :: "'b set" and Q :: "'b \ 'b \ bool" and
    f :: "'a \ 'b"
  assumes "antisymp_on B Q" and "f ` A \ B" and
    Q_imp_R: "\x y. x \ A \ y \ A \ R x y \ Q (f x) (f y)" and
    inj_f: "inj_on f A"
  shows "antisymp_on A R"
proof (rule antisymp_onI)
  fix x y :: 'a
  assume "x \ A" and "y \ A" and "R x y" and "R y x"
  hence "Q (f x) (f y)" and "Q (f y) (f x)"
    using Q_imp_R by iprover+
  moreover have "f x \ B" and "f y \ B"
    using ‹f ` A ⊆ B› ‹x ∈ A› ‹y ∈ A› by blast+
  ultimately have "f x = f y"
    using ‹antisymp_on B Q›[THEN antisymp_onD] by iprover
  thus "x = y"
    using inj_f[THEN inj_onD] ‹x ∈ A› ‹y ∈ A› by iprover
qed

lemma antisymp_on_mono_strong:
  "antisymp_on B Q \ A \ B \ (\x y. x \ A \ y \ A \ R x y \ Q x y) \ antisymp_on A R"
  using antisymp_on_mono_stronger[of B Q "\x. x" A R, OF _ _ _ inj_on_id2, unfolded image_ident] .

lemma antisymp_on_mono[mono]: "A \ B \ R \ Q \ antisymp_on B Q \ antisymp_on A R"
  by (simp add: antisymp_on_mono_strong le_fun_def)

lemma antisym_on_subset: "antisym_on B r \ A \ B \ antisym_on A r"
  by (auto simp: antisym_on_def)

lemma antisymp_on_subset: "antisymp_on B R \ A \ B \ antisymp_on A R"
  using antisymp_on_mono_strong .

lemma antisymp_on_image:
  assumes "inj_on f A"
  shows "antisymp_on (f ` A) R \ antisymp_on A (\a b. R (f a) (f b))"
  using assms by (auto simp: antisymp_on_def inj_on_def)

lemma antisym_subset:
  "r \ s \ antisym s \ antisym r"
  unfolding antisym_def by blast

lemma antisymp_less_eq:
  "r \ s \ antisymp s \ antisymp r"
  by (fact antisym_subset [to_pred])
    
lemma antisymp_on_equality[simp]: "antisymp_on A (=)"
  by (auto intro: antisymp_onI)

lemma antisym_singleton [simp]:
  "antisym {x}"
  by (blast intro: antisymI)

lemma antisym_on_if_asym_on: "asym_on A r \ antisym_on A r"
  by (auto intro: antisym_onI dest: asym_onD)

lemma antisymp_on_if_asymp_on: "asymp_on A R \ antisymp_on A R"
  by (rule antisym_on_if_asym_on[to_pred])

lemma (in preorder) antisymp_on_less[simp]: "antisymp_on A (<)"
  by (rule antisymp_on_if_asymp_on[OF asymp_on_less])

lemma (in preorder) antisymp_on_greater[simp]: "antisymp_on A (>)"
  by (rule antisymp_on_if_asymp_on[OF asymp_on_greater])

lemma (in order) antisymp_on_le[simp]: "antisymp_on A (\)"
  by (simp add: antisymp_onI)

lemma (in order) antisymp_on_ge[simp]: "antisymp_on A (\)"
  by (simp add: antisymp_onI)


subsubsection ‹Transitivity›

definition trans_on :: "'a set \ 'a rel \ bool" where
  "trans_on A r \ (\x \ A. \y \ A. \z \ A. (x, y) \ r \ (y, z) \ r \ (x, z) \ r)"

abbreviation trans :: "'a rel \ bool" where
  "trans \ trans_on UNIV"

definition transp_on :: "'a set \ ('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "transp_on A R \ (\x \ A. \y \ A. \z \ A. R x y \ R y z \ R x z)"

abbreviation transp :: "('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "transp \ transp_on UNIV"

lemma trans_def[no_atp]: "trans r \ (\x y z. (x, y) \ r \ (y, z) \ r \ (x, z) \ r)"
  by (simp add: trans_on_def)

lemma transp_def: "transp R \ (\x y z. R x y \ R y z \ R x z)"
  by (simp add: transp_on_def)

text ‹@{thm [source] trans_def} and @{thm [source] transp_def} are for backward compatibility.›

lemma transp_on_trans_on_eq[pred_set_conv]: "transp_on A (\x y. (x, y) \ r) \ trans_on A r"
  by (simp add: trans_on_def transp_on_def)

lemmas transp_trans_eq = transp_on_trans_on_eq[of UNIV] 🍋 ‹For backward compatibility›

lemma trans_onI:
  "(\x y z. x \ A \ y \ A \ z \ A \ (x, y) \ r \ (y, z) \ r \ (x, z) \ r) \
  trans_on A r"
  unfolding trans_on_def
  by (intro ballI) iprover

lemma transI [intro?]: "(\x y z. (x, y) \ r \ (y, z) \ r \ (x, z) \ r) \ trans r"
  by (rule trans_onI)

lemma transp_onI:
  "(\x y z. x \ A \ y \ A \ z \ A \ R x y \ R y z \ R x z) \ transp_on A R"
  by (rule trans_onI[to_pred])

lemma transpI [intro?]: "(\x y z. R x y \ R y z \ R x z) \ transp R"
  by (rule transI[to_pred])

lemma transE:
  assumes "trans r" and "(x, y) \ r" and "(y, z) \ r"
  obtains "(x, z) \ r"
  using assms by (unfold trans_def) iprover

lemma transpE:
  assumes "transp r" and "r x y" and "r y z"
  obtains "r x z"
  using assms by (rule transE [to_pred])

lemma trans_onD:
  "trans_on A r \ x \ A \ y \ A \ z \ A \ (x, y) \ r \ (y, z) \ r \ (x, z) \ r"
  unfolding trans_on_def
  by (elim ballE) iprover+

lemma transD[dest?]: "trans r \ (x, y) \ r \ (y, z) \ r \ (x, z) \ r"
  by (simp add: trans_onD[of UNIV r x y z])

lemma transp_onD: "transp_on A R \ x \ A \ y \ A \ z \ A \ R x y \ R y z \ R x z"
  by (rule trans_onD[to_pred])

lemma transpD[dest?]: "transp R \ R x y \ R y z \ R x z"
  by (rule transD[to_pred])

lemma trans_on_subset: "trans_on B r \ A \ B \ trans_on A r"
  by (auto simp: trans_on_def)

lemma transp_on_subset: "transp_on B R \ A \ B \ transp_on A R"
  by (auto simp: transp_on_def)

lemma transp_on_image: "transp_on (f ` A) R \ transp_on A (\a b. R (f a) (f b))"
  by (simp add: transp_on_def)

lemma trans_Int: "trans r \ trans s \ trans (r \ s)"
  by (fast intro: transI elim: transE)

lemma transp_inf: "transp r \ transp s \ transp (r \ s)"
  by (fact trans_Int [to_pred])

lemma trans_INTER: "\x\S. trans (r x) \ trans (\(r ` S))"
  by (fast intro: transI elim: transD)

lemma transp_INF: "\x\S. transp (r x) \ transp (\(r ` S))"
  by (fact trans_INTER [to_pred])

lemma trans_on_join [code]:
  "trans_on A r \ (\(x, y1) \ r. x \ A \ y1 \ A \
    (∀(y2, z) ∈ r. y1 = y2 ⟶ z ∈ A ⟶ (x, z) ∈ r))"
  by (auto simp: trans_on_def)

lemma trans_join: "trans r \ (\(x, y1) \ r. \(y2, z) \ r. y1 = y2 \ (x, z) \ r)"
  by (auto simp add: trans_def)

lemma transp_trans: "transp r \ trans {(x, y). r x y}"
  by (simp add: trans_def transp_def)

lemma transp_on_equality[simp]: "transp_on A (=)"
  by (auto intro: transp_onI)

lemma trans_on_bot[simp]: "trans_on A \"
  by (simp add: trans_on_def)

lemma transp_on_bot[simp]: "transp_on A \"
  using trans_on_bot[to_pred] .

lemma trans_on_top[simp]: "trans_on A \"
  by (simp add: trans_on_def)

lemma transp_on_top[simp]: "transp_on A \"
  by (simp add: transp_on_def)

lemma transp_empty [simp]: "transp (\x y. False)"
  using transp_on_bot unfolding bot_fun_def bot_bool_def .

lemma trans_singleton [simp]: "trans {(a, a)}"
  by (blast intro: transI)

lemma transp_singleton [simp]: "transp (\x y. x = a \ y = a)"
  by (simp add: transp_def)

lemma asym_on_iff_irrefl_on_if_trans_on: "trans_on A r \ asym_on A r \ irrefl_on A r"
  by (auto intro: irrefl_on_if_asym_on dest: trans_onD irrefl_onD)

lemma asymp_on_iff_irreflp_on_if_transp_on: "transp_on A R \ asymp_on A R \ irreflp_on A R"
  by (rule asym_on_iff_irrefl_on_if_trans_on[to_pred])

lemma (in preorder) transp_on_le[simp]: "transp_on A (\)"
  by (auto intro: transp_onI order_trans)

lemma (in preorder) transp_on_less[simp]: "transp_on A (<)"
  by (auto intro: transp_onI less_trans)

lemma (in preorder) transp_on_ge[simp]: "transp_on A (\)"
  by (auto intro: transp_onI order_trans)

lemma (in preorder) transp_on_greater[simp]: "transp_on A (>)"
  by (auto intro: transp_onI less_trans)


subsubsection ‹Totality›

definition total_on :: "'a set \ 'a rel \ bool" where
  "total_on A r \ (\x\A. \y\A. x \ y \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r)"

abbreviation total :: "'a rel \ bool" where
  "total \ total_on UNIV"

definition totalp_on :: "'a set \ ('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "totalp_on A R \ (\x \ A. \y \ A. x \ y \ R x y \ R y x)"

abbreviation totalp :: "('a \ 'a \ bool) \ bool" where
  "totalp \ totalp_on UNIV"

lemma totalp_on_total_on_eq[pred_set_conv]: "totalp_on A (\x y. (x, y) \ r) \ total_on A r"
  by (simp add: totalp_on_def total_on_def)

lemma total_onI [intro?]:
  "(\x y. x \ A \ y \ A \ x \ y \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r) \ total_on A r"
  unfolding total_on_def by blast

lemma totalI: "(\x y. x \ y \ (x, y) \ r \ (y, x) \ r) \ total r"
  by (rule total_onI)

lemma totalp_onI: "(\x y. x \ A \ y \ A \ x \ y \ R x y \ R y x) \ totalp_on A R"
  by (rule total_onI[to_pred])

lemma totalpI: "(\x y. x \ y \ R x y \ R y x) \ totalp R"
  by (rule totalI[to_pred])

lemma totalp_onD:
  "totalp_on A R \ x \ A \ y \ A \ x \ y \ R x y \ R y x"
  by (simp add: totalp_on_def)

lemma totalpD: "totalp R \ x \ y \ R x y \ R y x"
  by (simp add: totalp_onD)

lemma total_on_top[simp]: "total_on A \"
  by (simp add: total_on_def)

lemma totalp_on_top[simp]: "totalp_on A \"
  by (simp add: totalp_on_def)

lemma totalp_on_mono_stronger:
  fixes
    A :: "'a set" and R :: "'a \ 'a \ bool" and
    B :: "'b set" and Q :: "'b \ 'b \ bool" and
    f :: "'a \ 'b"
  assumes "totalp_on B Q" and "f ` A \ B" and
    Q_imp_R: "\x y. x \ A \ y \ A \ Q (f x) (f y) \ R x y" and
    inj_f: "inj_on f A"
  shows "totalp_on A R"
proof (rule totalp_onI)
  fix x y :: 'a
  assume "x \ A" and "y \ A" and "x \ y"
  hence "f x \ B" and "f y \ B" and "f x \ f y"
    using ‹f ` A ⊆ B› inj_f by (auto dest: inj_onD)
  hence "Q (f x) (f y) \ Q (f y) (f x)"
    using ‹totalp_on B Q› by (iprover dest: totalp_onD)
  thus "R x y \ R y x"
    using Q_imp_R ‹x ∈ A› ‹y ∈ A› by iprover
qed

lemma totalp_on_mono_stronger_alt:
  fixes
    A :: "'a set" and R :: "'a \ 'a \ bool" and
    B :: "'b set" and Q :: "'b \ 'b \ bool" and
    f :: "'b \ 'a"
  assumes "totalp_on B Q" and "A \ f ` B" and
    Q_imp_R: "\x y. x \ B \ y \ B \ Q x y \ R (f x) (f y)"
  shows "totalp_on A R"
proof (rule totalp_onI)
  fix x y :: 'a
  assume "x \ A" and "y \ A" and "x \ y"
  then obtain x' y' where "x' \ B" and "x = f x'" and "y' \ B" and "y = f y'" and "x' \ y'"
    using ‹A ⊆ f ` B› by blast
  hence "Q x' y' \ Q y' x'"
    using ‹totalp_on B Q›[THEN totalp_onD] by blast
  hence "R (f x') (f y') \ R (f y') (f x')"
    using Q_imp_R ‹x' \ B\ \y' ∈ B› by blast
  thus "R x y \ R y x"
    using ‹x = f x'\ \y = f y'› by blast
qed

lemma totalp_on_mono_strong:
  "totalp_on B Q \ A \ B \ (\x y. x \ A \ y \ A \ Q x y \ R x y) \ totalp_on A R"
  using totalp_on_mono_stronger[of B Q "\x. x" A R, simplified] .

lemma totalp_on_mono[mono]: "A \ B \ Q \ R \ totalp_on B Q \ totalp_on A R"
  by (auto intro: totalp_on_mono_strong)

lemma total_on_subset: "total_on B r \ A \ B \ total_on A r"
  by (auto simp: total_on_def)

lemma totalp_on_subset: "totalp_on B R \ A \ B \ totalp_on A R"
  using totalp_on_mono_strong .

lemma totalp_on_image:
  assumes "inj_on f A"
  shows "totalp_on (f ` A) R \ totalp_on A (\a b. R (f a) (f b))"
  using assms by (auto simp: totalp_on_def inj_on_def)

lemma total_on_empty [simp]: "total_on {} r"
  by (simp add: total_on_def)

lemma totalp_on_empty [simp]: "totalp_on {} R"
  by (simp add: totalp_on_def)

lemma total_on_singleton [simp]: "total_on {x} r"
  by (simp add: total_on_def)

lemma totalp_on_singleton [simp]: "totalp_on {x} R"
  by (simp add: totalp_on_def)

lemma (in linorder) totalp_on_less[simp]: "totalp_on A (<)"
  by (auto intro: totalp_onI)

lemma (in linorder) totalp_on_greater[simp]: "totalp_on A (>)"
  by (auto intro: totalp_onI)

lemma (in linorder) totalp_on_le[simp]: "totalp_on A (\)"
  by (rule totalp_onI, rule linear)

lemma (in linorder) totalp_on_ge[simp]: "totalp_on A (\)"
  by (rule totalp_onI, rule linear)


subsubsection ‹Left uniqueness›

definition left_unique :: "('a \ 'b \ bool) \ bool" where
  "left_unique R \ (\x y z. R x z \ R y z \ x = y)"

lemma left_uniqueI: "(\x y z. A x z \ A y z \ x = y) \ left_unique A"
  unfolding left_unique_def by blast

lemma left_uniqueD: "left_unique A \ A x z \ A y z \ x = y"
  unfolding left_unique_def by blast

lemma left_unique_iff_Uniq: "left_unique r \ (\y. \\<^sub>\\<^sub>1x. r x y)"
  unfolding Uniq_def left_unique_def by blast

lemma left_unique_bot[simp]: "left_unique \"
  by (simp add: left_unique_def)

lemma left_unique_mono_strong:
  "left_unique Q \ (\x y. R x y \ Q x y) \ left_unique R"
  by (rule left_uniqueI) (auto dest: left_uniqueD)

lemma left_unique_mono[mono]: "R \ Q \ left_unique Q \ left_unique R"
  using left_unique_mono_strong[of Q R]
  by (simp add: le_fun_def)


subsubsection ‹Right uniqueness›

definition single_valued :: "('a \ 'b) set \ bool"
  where "single_valued r \ (\x y. (x, y) \ r \ (\z. (x, z) \ r \ y = z))"

definition right_unique :: "('a \ 'b \ bool) \ bool" where
  "right_unique R \ (\x y z. R x y \ R x z \ y = z)"

lemma right_unique_single_valued_eq [pred_set_conv]:
  "right_unique (\x y. (x, y) \ r) \ single_valued r"
  by (simp add: single_valued_def right_unique_def)

lemma right_unique_iff_Uniq:
  "right_unique r \ (\x. \\<^sub>\\<^sub>1y. r x y)"
  unfolding Uniq_def right_unique_def by auto

lemma single_valuedI:
  "(\x y. (x, y) \ r \ (\z. (x, z) \ r \ y = z)) \ single_valued r"
  unfolding single_valued_def by blast

lemma right_uniqueI: "(\x y z. R x y \ R x z \ y = z) \ right_unique R"
  unfolding right_unique_def by fast

lemma single_valuedD:
  "single_valued r \ (x, y) \ r \ (x, z) \ r \ y = z"
  by (simp add: single_valued_def)

lemma right_uniqueD: "right_unique R \ R x y \ R x z \ y = z"
  unfolding right_unique_def by fast

lemma single_valued_empty [simp]:
  "single_valued {}"
  by (simp add: single_valued_def)

lemma right_unique_bot[simp]: "right_unique \"
  by (fact single_valued_empty[to_pred])

lemma right_unique_mono_strong:
  "right_unique Q \ (\x y. R x y \ Q x y) \ right_unique R"
  by (rule right_uniqueI) (auto dest: right_uniqueD)

lemma right_unique_mono[mono]: "R \ Q \ right_unique Q \ right_unique R"
  using right_unique_mono_strong[of Q R]
  by (simp add: le_fun_def)

lemma single_valued_subset:
  "r \ s \ single_valued s \ single_valued r"
  unfolding single_valued_def by blast

lemma right_unique_less_eq: "r \ s \ right_unique s \ right_unique r"
  by (fact single_valued_subset [to_pred])


subsection ‹Relation operations›

subsubsection ‹The identity relation›

definition Id :: "'a rel"
  where "Id = {p. \x. p = (x, x)}"

lemma IdI [intro]: "(a, a) \ Id"
  by (simp add: Id_def)

lemma IdE [elim!]: "p \ Id \ (\x. p = (x, x) \ P) \ P"
  unfolding Id_def by (iprover elim: CollectE)

lemma pair_in_Id_conv [iff]: "(a, b) \ Id \ a = b"
  unfolding Id_def by blast

lemma refl_Id: "refl Id"
  by (simp add: refl_on_def)

lemma antisym_Id: "antisym Id"
  🍋 ‹A strange result, since ‹Id› is also symmetric.›
  by (simp add: antisym_def)

lemma sym_Id: "sym Id"
  by (simp add: sym_def)

lemma trans_Id: "trans Id"
  by (simp add: trans_def)

lemma single_valued_Id [simp]: "single_valued Id"
  by (unfold single_valued_def) blast

lemma irrefl_diff_Id [simp]: "irrefl (r - Id)"
  by (simp add: irrefl_def)

lemma trans_on_diff_Id: "trans_on A r \ antisym_on A r \ trans_on A (r - Id)"
  by (blast intro: trans_onI dest: trans_onD antisym_onD)

lemma trans_diff_Id[no_atp]: "trans r \ antisym r \ trans (r - Id)"
  using trans_on_diff_Id .

lemma total_on_diff_Id [simp]: "total_on A (r - Id) = total_on A r"
  by (simp add: total_on_def)

lemma Id_fstsnd_eq: "Id = {x. fst x = snd x}"
  by force


subsubsection ‹Diagonal: identity over a set›

definition Id_on :: "'a set \ 'a rel"
  where "Id_on A = (\x\A. {(x, x)})"

lemma Id_on_empty [simp]: "Id_on {} = {}"
  by (simp add: Id_on_def)

lemma Id_on_eqI: "a = b \ a \ A \ (a, b) \ Id_on A"
  by (simp add: Id_on_def)

lemma Id_onI [intro!]: "a \ A \ (a, a) \ Id_on A"
  by (rule Id_on_eqI) (rule refl)

lemma Id_onE [elim!]: "c \ Id_on A \ (\x. x \ A \ c = (x, x) \ P) \ P"
  🍋 ‹The general elimination rule.›
  unfolding Id_on_def by (iprover elim!: UN_E singletonE)

lemma Id_on_iff: "(x, y) \ Id_on A \ x = y \ x \ A"
  by blast

lemma Id_on_def' [nitpick_unfold]: "Id_on {x. A x} = Collect (\(x, y). x = y \ A x)"
  by auto

lemma Id_on_subset_Times: "Id_on A \ A \ A"
  by blast

lemma refl_on_Id_on: "refl_on A (Id_on A)"
  by (rule refl_onI[OF Id_onI])

lemma antisym_Id_on [simp]: "antisym (Id_on A)"
  unfolding antisym_def by blast

lemma sym_Id_on [simp]: "sym (Id_on A)"
  by (rule symI) clarify

lemma trans_Id_on [simp]: "trans (Id_on A)"
  by (fast intro: transI elim: transD)

lemma single_valued_Id_on [simp]: "single_valued (Id_on A)"
  unfolding single_valued_def by blast


subsubsection ‹Composition›

inductive_set relcomp  :: "('a \ 'b) set \ ('b \ 'c) set \ ('a \ 'c) set"
  for r :: "('a \ 'b) set" and s :: "('b \ 'c) set"
  where relcompI [intro]: "(a, b) \ r \ (b, c) \ s \ (a, c) \ relcomp r s"

open_bundle relcomp_syntax
begin
notation relcomp  (infixr ‹O› 75) and relcompp  (infixr ‹OO› 75)
end

lemmas relcomppI = relcompp.intros

text ‹
  For historic reasons, the elimination rules are not wholly corresponding.
  Feel free to consolidate this.
›

inductive_cases relcompEpair: "(a, c) \ r O s"
inductive_cases relcomppE [elim!]: "(r OO s) a c"

lemma relcompE [elim!]: "xz \ r O s \
  (∧x y z. xz = (x, z) ==> (x, y) ∈ r ==> (y, z) ∈ s  ==> P) ==> P"
  apply (cases xz)
  apply simp
  apply (erule relcompEpair)
  apply iprover
  done

lemma R_O_Id [simp]: "R O Id = R"
  by fast

lemma Id_O_R [simp]: "Id O R = R"
  by fast

lemma relcomp_empty1 [simp]: "{} O R = {}"
  by blast

lemma relcompp_bot1 [simp]: "\ OO R = \"
  by (fact relcomp_empty1 [to_pred])

lemma relcomp_empty2 [simp]: "R O {} = {}"
  by blast

lemma relcompp_bot2 [simp]: "R OO \ = \"
  by (fact relcomp_empty2 [to_pred])

lemma O_assoc: "(R O S) O T = R O (S O T)"
  by blast

lemma relcompp_assoc: "(r OO s) OO t = r OO (s OO t)"
  by (fact O_assoc [to_pred])

lemma trans_O_subset: "trans r \ r O r \ r"
  by (unfold trans_def) blast

lemma transp_relcompp_less_eq: "transp r \ r OO r \ r "
  by (fact trans_O_subset [to_pred])

lemma relcomp_mono: "r' \ r \ s' \ s \ r' O s' \ r O s"
  by blast

lemma relcompp_mono: "r' \ r \ s' \ s \ r' OO s' \ r OO s "
  by (fact relcomp_mono [to_pred])

lemma relcomp_subset_Sigma: "r \ A \ B \ s \ B \ C \ r O s \ A \ C"
  by blast

lemma relcomp_distrib [simp]: "R O (S \ T) = (R O S) \ (R O T)"
  by auto

lemma relcompp_distrib [simp]: "R OO (S \ T) = R OO S \ R OO T"
  by (fact relcomp_distrib [to_pred])

lemma relcomp_distrib2 [simp]: "(S \ T) O R = (S O R) \ (T O R)"
  by auto

lemma relcompp_distrib2 [simp]: "(S \ T) OO R = S OO R \ T OO R"
  by (fact relcomp_distrib2 [to_pred])

lemma relcomp_UNION_distrib: "s O \(r ` I) = (\i\I. s O r i) "
  by auto

lemma relcompp_SUP_distrib: "s OO \(r ` I) = (\i\I. s OO r i)"
  by (fact relcomp_UNION_distrib [to_pred])
    
lemma relcomp_UNION_distrib2: "\(r ` I) O s = (\i\I. r i O s) "
  by auto

lemma relcompp_SUP_distrib2: "\(r ` I) OO s = (\i\I. r i OO s)"
  by (fact relcomp_UNION_distrib2 [to_pred])
    
lemma single_valued_relcomp: "single_valued r \ single_valued s \ single_valued (r O s)"
  unfolding single_valued_def by blast

lemma relcomp_unfold: "r O s = {(x, z). \y. (x, y) \ r \ (y, z) \ s}"
  by (auto simp add: set_eq_iff)

lemma relcompp_apply: "(R OO S) a c \ (\b. R a b \ S b c)"
  unfolding relcomp_unfold [to_pred] ..

lemma eq_OO: "(=) OO R = R"
  by blast

lemma OO_eq: "R OO (=) = R"
  by blast


subsubsection ‹Converse›

inductive_set converse :: "('a \ 'b) set \ ('b \ 'a) set"
  for r :: "('a \ 'b) set"
  where "(a, b) \ r \ (b, a) \ converse r"

open_bundle converse_syntax
begin
notation
  converse  (‹(‹notation=‹postfix -1››_^-1)› [1000] 999) and
  conversep  (‹(‹notation=‹postfix -1-1››_^-1-1)› [1000] 1000)
notation (ASCII)
  converse  (‹(‹notation=‹postfix -1››_^-1)› [1000] 999) and
  conversep (‹(‹notation=‹postfix -1-1››_^--1)› [1000] 1000)
end

lemma converseI [sym]: "(a, b) \ r \ (b, a) \ r\"
  by (fact converse.intros)

lemma conversepI (* CANDIDATE [sym] *): "r a b \<Longrightarrow> r\<inverse>\<inverse> b a"
  by (fact conversep.intros)

lemma converseD [sym]: "(a, b) \ r\ \ (b, a) \ r"
  by (erule converse.cases) iprover

lemma conversepD (* CANDIDATE [sym] *): "r\<inverse>\<inverse> b a \<Longrightarrow> r a b"
  by (fact converseD [to_pred])

lemma converseE [elim!]: "yx \ r\ \ (\x y. yx = (y, x) \ (x, y) \ r \ P) \ P"
  🍋 ‹More general than ‹converseD›, as it ``splits'' the member of the relation.›
  apply (cases yx)
  apply simp
  apply (erule converse.cases)
  apply iprover
  done

lemmas conversepE [elim!] = conversep.cases

lemma converse_iff [iff]: "(a, b) \ r\ \ (b, a) \ r"
  by (auto intro: converseI)

lemma conversep_iff [iff]: "r\\ a b = r b a"
  by (fact converse_iff [to_pred])

lemma converse_converse [simp]: "(r\)\ = r"
  by (simp add: set_eq_iff)

lemma conversep_conversep [simp]: "(r\\)\\ = r"
  by (fact converse_converse [to_pred])

lemma converse_empty[simp]: "{}\ = {}"
  by auto

lemma converse_UNIV[simp]: "UNIV\ = UNIV"
  by auto

lemma converse_relcomp: "(r O s)\ = s\ O r\"
  by blast

lemma converse_relcompp: "(r OO s)\\ = s\\ OO r\\"
  by (iprover intro: order_antisym conversepI relcomppI elim: relcomppE dest: conversepD)

lemma converse_Int: "(r \ s)\ = r\ \ s\"
  by blast

lemma converse_meet: "(r \ s)\\ = r\\ \ s\\"
  by (simp add: inf_fun_def) (iprover intro: conversepI ext dest: conversepD)

lemma converse_Un: "(r \ s)\ = r\ \ s\"
  by blast

lemma converse_join: "(r \ s)\\ = r\\ \ s\\"
  by (simp add: sup_fun_def) (iprover intro: conversepI ext dest: conversepD)

lemma converse_INTER: "(\(r ` S))\ = (\x\S. (r x)\)"
  by fast

lemma converse_UNION: "(\(r ` S))\ = (\x\S. (r x)\)"
  by blast

lemma converse_mono[simp]: "r\ \ s \ \ r \ s"
  by auto

lemma conversep_mono[simp]: "r\\ \ s \\ \ r \ s"
  by (fact converse_mono[to_pred])

lemma converse_inject[simp]: "r\ = s \ \ r = s"
  by auto

lemma conversep_inject[simp]: "r\\ = s \\ \ r = s"
  by (fact converse_inject[to_pred])

lemma converse_subset_swap: "r \ s \ \ r \ \ s"
  by auto

lemma conversep_le_swap: "r \ s \\ \ r \\ \ s"
  by (fact converse_subset_swap[to_pred])

lemma converse_Id [simp]: "Id\ = Id"
  by blast

lemma converse_Id_on [simp]: "(Id_on A)\ = Id_on A"
  by blast

lemma refl_on_converse [simp]: "refl_on A (r\) = refl_on A r"
  by (auto simp: refl_on_def)

lemma reflp_on_conversp [simp]: "reflp_on A R\\ \ reflp_on A R"
  by (auto simp: reflp_on_def)

lemma irrefl_on_converse [simp]: "irrefl_on A (r\) = irrefl_on A r"
  by (simp add: irrefl_on_def)

lemma irreflp_on_converse [simp]: "irreflp_on A (r\\) = irreflp_on A r"
  by (rule irrefl_on_converse[to_pred])

lemma sym_on_converse [simp]: "sym_on A (r\) = sym_on A r"
  by (auto intro: sym_onI dest: sym_onD)

lemma symp_on_conversep [simp]: "symp_on A R\\ = symp_on A R"
  by (rule sym_on_converse[to_pred])

lemma asym_on_converse [simp]: "asym_on A (r\) = asym_on A r"
  by (auto dest: asym_onD)

lemma asymp_on_conversep [simp]: "asymp_on A R\\ = asymp_on A R"
  by (rule asym_on_converse[to_pred])

lemma antisym_on_converse [simp]: "antisym_on A (r\) = antisym_on A r"
  by (auto intro: antisym_onI dest: antisym_onD)

lemma antisymp_on_conversep [simp]: "antisymp_on A R\\ = antisymp_on A R"
  by (rule antisym_on_converse[to_pred])

lemma trans_on_converse [simp]: "trans_on A (r\) = trans_on A r"
  by (auto intro: trans_onI dest: trans_onD)

lemma transp_on_conversep [simp]: "transp_on A R\\ = transp_on A R"
  by (rule trans_on_converse[to_pred])

lemma sym_conv_converse_eq: "sym r \ r\ = r"
  unfolding sym_def by fast

lemma sym_Un_converse: "sym (r \ r\)"
  unfolding sym_def by blast

lemma sym_Int_converse: "sym (r \ r\)"
  unfolding sym_def by blast

lemma total_on_converse [simp]: "total_on A (r\) = total_on A r"
  by (auto simp: total_on_def)

lemma totalp_on_converse [simp]: "totalp_on A R\\ = totalp_on A R"
  by (rule total_on_converse[to_pred])

lemma left_unique_conversep[simp]: "left_unique A\\ \ right_unique A"
  by (auto simp add: left_unique_def right_unique_def)

lemma right_unique_conversep[simp]: "right_unique A\\ \ left_unique A"
  by (auto simp add: left_unique_def right_unique_def)

lemma conversep_noteq [simp]: "(\)\\ = (\)"
  by (auto simp add: fun_eq_iff)

lemma conversep_eq [simp]: "(=)\\ = (=)"
  by (auto simp add: fun_eq_iff)

lemma converse_unfold [code]: "r\ = {(y, x). (x, y) \ r}"
  by (simp add: set_eq_iff)


subsubsection ‹Domain, range and field›

inductive_set Domain :: "('a \ 'b) set \ 'a set" for r :: "('a \ 'b) set"
  where DomainI [intro]: "(a, b) \ r \ a \ Domain r"

lemmas DomainPI = Domainp.DomainI

inductive_cases DomainE [elim!]: "a \ Domain r"
inductive_cases DomainpE [elim!]: "Domainp r a"

inductive_set Range :: "('a \ 'b) set \ 'b set" for r :: "('a \ 'b) set"
  where RangeI [intro]: "(a, b) \ r \ b \ Range r"

lemmas RangePI = Rangep.RangeI

inductive_cases RangeE [elim!]: "b \ Range r"
inductive_cases RangepE [elim!]: "Rangep r b"

definition Field :: "'a rel \ 'a set"
  where "Field r = Domain r \ Range r"

lemma Field_iff: "x \ Field r \ (\y. (x,y) \ r \ (y,x) \ r)"
  by (auto simp: Field_def)

lemma FieldI1: "(i, j) \ R \ i \ Field R"
  unfolding Field_def by blast

lemma FieldI2: "(i, j) \ R \ j \ Field R"
  unfolding Field_def by auto

lemma Domain_fst [code]: "Domain r = fst ` r"
  by force

lemma Range_snd [code]: "Range r = snd ` r"
  by force

lemma fst_eq_Domain: "fst ` R = Domain R"
  by force

lemma snd_eq_Range: "snd ` R = Range R"
  by force

lemma range_fst [simp]: "range fst = UNIV"
  by (auto simp: fst_eq_Domain)

lemma range_snd [simp]: "range snd = UNIV"
  by (auto simp: snd_eq_Range)

lemma Domain_empty [simp]: "Domain {} = {}"
  by auto

lemma Range_empty [simp]: "Range {} = {}"
  by auto

lemma Field_empty [simp]: "Field {} = {}"
  by (simp add: Field_def)

lemma Domain_empty_iff: "Domain r = {} \ r = {}"
  by auto

lemma Range_empty_iff: "Range r = {} \ r = {}"
  by auto

lemma Domain_insert [simp]: "Domain (insert (a, b) r) = insert a (Domain r)"
  by blast

lemma Range_insert [simp]: "Range (insert (a, b) r) = insert b (Range r)"
  by blast

lemma Field_insert [simp]: "Field (insert (a, b) r) = {a, b} \ Field r"
  by (auto simp add: Field_def)

lemma Domain_iff: "a \ Domain r \ (\y. (a, y) \ r)"
  by blast

lemma Range_iff: "a \ Range r \ (\y. (y, a) \ r)"
  by blast

lemma Domain_Id [simp]: "Domain Id = UNIV"
  by blast

lemma Range_Id [simp]: "Range Id = UNIV"
  by blast

lemma Domain_Id_on [simp]: "Domain (Id_on A) = A"
  by blast

lemma Range_Id_on [simp]: "Range (Id_on A) = A"
  by blast

lemma Domain_Un_eq: "Domain (A \ B) = Domain A \ Domain B"
  by blast

lemma Range_Un_eq: "Range (A \ B) = Range A \ Range B"
  by blast

lemma Field_Un [simp]: "Field (r \ s) = Field r \ Field s"
  by (auto simp: Field_def)

lemma Domain_Int_subset: "Domain (A \ B) \ Domain A \ Domain B"
  by blast

lemma Range_Int_subset: "Range (A \ B) \ Range A \ Range B"
  by blast

lemma Domain_Diff_subset: "Domain A - Domain B \ Domain (A - B)"
  by blast

lemma Range_Diff_subset: "Range A - Range B \ Range (A - B)"
  by blast

lemma Domain_Union: "Domain (\S) = (\A\S. Domain A)"
  by blast

lemma Range_Union: "Range (\S) = (\A\S. Range A)"
  by blast

lemma Field_Union [simp]: "Field (\R) = \(Field ` R)"
  by (auto simp: Field_def)

lemma Domain_converse [simp]: "Domain (r\) = Range r"
  by auto

lemma Range_converse [simp]: "Range (r\) = Domain r"
  by blast

lemma Field_converse [simp]: "Field (r\) = Field r"
  by (auto simp: Field_def)

lemma Domain_Collect_case_prod [simp]: "Domain {(x, y). P x y} = {x. \y. P x y}"
  by auto

lemma Range_Collect_case_prod [simp]: "Range {(x, y). P x y} = {y. \x. P x y}"
  by auto

lemma Domain_mono: "r \ s \ Domain r \ Domain s"
  by blast

lemma Range_mono: "r \ s \ Range r \ Range s"
  by blast

lemma mono_Field: "r \ s \ Field r \ Field s"
  by (auto simp: Field_def Domain_def Range_def)

lemma Domain_unfold: "Domain r = {x. \y. (x, y) \ r}"
  by blast

lemma Field_square [simp]: "Field (x \ x) = x"
  unfolding Field_def by blast


subsubsection ‹Image of a set under a relation›

definition Image :: "('a \ 'b) set \ 'a set \ 'b set"  (infixr ‹``› 90)
  where "r `` s = {y. \x\s. (x, y) \ r}"

lemma Image_iff: "b \ r``A \ (\x\A. (x, b) \ r)"
  by (simp add: Image_def)

lemma Image_singleton: "r``{a} = {b. (a, b) \ r}"
  by (simp add: Image_def)

lemma Image_singleton_iff [iff]: "b \ r``{a} \ (a, b) \ r"
  by (rule Image_iff [THEN trans]) simp

lemma ImageI [intro]: "(a, b) \ r \ a \ A \ b \ r``A"
  unfolding Image_def by blast

lemma ImageE [elim!]: "b \ r `` A \ (\x. (x, b) \ r \ x \ A \ P) \ P"
  unfolding Image_def by (iprover elim!: CollectE bexE)

lemma rev_ImageI: "a \ A \ (a, b) \ r \ b \ r `` A"
  🍋 ‹This version's more effective when we already have the required \a\\
  by blast

lemma Image_empty1 [simp]: "{} `` X = {}"
by auto

lemma Image_empty2 [simp]: "R``{} = {}"
by blast

lemma Image_Id [simp]: "Id `` A = A"
  by blast

lemma Image_Id_on [simp]: "Id_on A `` B = A \ B"
  by blast

lemma Image_Int_subset: "R `` (A \ B) \ R `` A \ R `` B"
  by blast

lemma Image_Int_eq: "single_valued (converse R) \ R `` (A \ B) = R `` A \ R `` B"
  by (auto simp: single_valued_def)

lemma Image_Un: "R `` (A \ B) = R `` A \ R `` B"
  by blast

lemma Un_Image: "(R \ S) `` A = R `` A \ S `` A"
  by blast

lemma Image_subset: "r \ A \ B \ r``C \ B"
  by (iprover intro!: subsetI elim!: ImageE dest!: subsetD SigmaD2)

lemma Image_eq_UN: "r``B = (\y\ B. r``{y})"
  🍋 ‹NOT suitable for rewriting›
  by blast

lemma Image_mono: "r' \ r \ A' \ A \ (r' `` A') \ (r `` A)"
  by blast

lemma Image_UN: "r `` (\(B ` A)) = (\x\A. r `` (B x))"
  by blast

lemma UN_Image: "(\i\I. X i) `` S = (\i\I. X i `` S)"
  by auto

lemma Image_INT_subset: "(r `` (\(B ` A))) \ (\x\A. r `` (B x))"
  by blast

text ‹Converse inclusion requires some assumptions›
lemma Image_INT_eq:
  assumes "single_valued (r\)"
    and "A \ {}"
  shows "r `` (\(B ` A)) = (\x\A. r `` B x)"
proof(rule equalityI, rule Image_INT_subset)
  show "(\x\A. r `` B x) \ r `` \ (B ` A)"
  proof
    fix x
    assume "x \ (\x\A. r `` B x)"
    then show "x \ r `` \ (B ` A)"
      using assms unfolding single_valued_def by simp blast
  qed
qed

lemma Image_subset_eq: "r``A \ B \ A \ - ((r\) `` (- B))"
  by blast

lemma Image_Collect_case_prod [simp]: "{(x, y). P x y} `` A = {y. \x\A. P x y}"
  by auto

lemma Sigma_Image: "(SIGMA x:A. B x) `` X = (\x\X \ A. B x)"
  by auto

--> --------------------

--> maximum size reached

--> --------------------