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

Quellcode-Bibliothek

© Kompilation durch diese Firma

[Weder Korrektheit noch Funktionsfähigkeit der Software werden zugesichert.]

Datei: Options.dfm.~65~   Sprache: Isabelle

Original von: Isabelle©

(*  Author:  Florian Haftmann, TUM
*)


section \<open>Bit operations in suitable algebraic structures\<close>

theory Bit_Operations
  imports
    Main
    "HOL-Library.Boolean_Algebra"
begin

subsection \<open>Bit operations\<close>

class semiring_bit_operations = semiring_bit_shifts +
  fixes "and" :: \<open>'a \<Rightarrow> 'a \<Rightarrow> 'a\<close>  (infixr \<open>AND\<close> 64)
    and or :: \<open>'a \<Rightarrow> 'a \<Rightarrow> 'a\<close>  (infixr \<open>OR\<close>  59)
    and xor :: \<open>'a \<Rightarrow> 'a \<Rightarrow> 'a\<close>  (infixr \<open>XOR\<close> 59)
    and mask :: \<open>nat \<Rightarrow> 'a\<close>
  assumes bit_and_iff [bit_simps]: \<open>\<And>n. bit (a AND b) n \<longleftrightarrow> bit a n \<and> bit b n\<close>
    and bit_or_iff [bit_simps]: \<open>\<And>n. bit (a OR b) n \<longleftrightarrow> bit a n \<or> bit b n\<close>
    and bit_xor_iff [bit_simps]: \<open>\<And>n. bit (a XOR b) n \<longleftrightarrow> bit a n \<noteq> bit b n\<close>
    and mask_eq_exp_minus_1: \<open>mask n = 2 ^ n - 1\<close>
begin

text \<open>
  We want the bitwise operations to bind slightly weaker
  than \<open>+\<close> and \<open>-\<close>.
  For the sake of code generation
  the operations \<^const>\<open>and\<close>, \<^const>\<open>or\<close> and \<^const>\<open>xor\<close>
  are specified as definitional class operations.
\<close>

sublocale "and": semilattice \<open>(AND)\<close>
  by standard (auto simp add: bit_eq_iff bit_and_iff)

sublocale or: semilattice_neutr \<open>(OR)\<close> 0
  by standard (auto simp add: bit_eq_iff bit_or_iff)

sublocale xor: comm_monoid \<open>(XOR)\<close> 0
  by standard (auto simp add: bit_eq_iff bit_xor_iff)

lemma even_and_iff:
  \<open>even (a AND b) \<longleftrightarrow> even a \<or> even b\<close>
  using bit_and_iff [of a b 0] by auto

lemma even_or_iff:
  \<open>even (a OR b) \<longleftrightarrow> even a \<and> even b\<close>
  using bit_or_iff [of a b 0] by auto

lemma even_xor_iff:
  \<open>even (a XOR b) \<longleftrightarrow> (even a \<longleftrightarrow> even b)\<close>
  using bit_xor_iff [of a b 0] by auto

lemma zero_and_eq [simp]:
  "0 AND a = 0"
  by (simp add: bit_eq_iff bit_and_iff)

lemma and_zero_eq [simp]:
  "a AND 0 = 0"
  by (simp add: bit_eq_iff bit_and_iff)

lemma one_and_eq:
  "1 AND a = a mod 2"
  by (simp add: bit_eq_iff bit_and_iff) (auto simp add: bit_1_iff)

lemma and_one_eq:
  "a AND 1 = a mod 2"
  using one_and_eq [of a] by (simp add: ac_simps)

lemma one_or_eq:
  "1 OR a = a + of_bool (even a)"
  by (simp add: bit_eq_iff bit_or_iff add.commute [of _ 1] even_bit_succ_iff) (auto simp add: bit_1_iff)

lemma or_one_eq:
  "a OR 1 = a + of_bool (even a)"
  using one_or_eq [of a] by (simp add: ac_simps)

lemma one_xor_eq:
  "1 XOR a = a + of_bool (even a) - of_bool (odd a)"
  by (simp add: bit_eq_iff bit_xor_iff add.commute [of _ 1] even_bit_succ_iff) (auto simp add: bit_1_iff odd_bit_iff_bit_pred elim: oddE)

lemma xor_one_eq:
  "a XOR 1 = a + of_bool (even a) - of_bool (odd a)"
  using one_xor_eq [of a] by (simp add: ac_simps)

lemma take_bit_and [simp]:
  \<open>take_bit n (a AND b) = take_bit n a AND take_bit n b\<close>
  by (auto simp add: bit_eq_iff bit_take_bit_iff bit_and_iff)

lemma take_bit_or [simp]:
  \<open>take_bit n (a OR b) = take_bit n a OR take_bit n b\<close>
  by (auto simp add: bit_eq_iff bit_take_bit_iff bit_or_iff)

lemma take_bit_xor [simp]:
  \<open>take_bit n (a XOR b) = take_bit n a XOR take_bit n b\<close>
  by (auto simp add: bit_eq_iff bit_take_bit_iff bit_xor_iff)

lemma push_bit_and [simp]:
  \<open>push_bit n (a AND b) = push_bit n a AND push_bit n b\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_push_bit_iff bit_and_iff)

lemma push_bit_or [simp]:
  \<open>push_bit n (a OR b) = push_bit n a OR push_bit n b\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_push_bit_iff bit_or_iff)

lemma push_bit_xor [simp]:
  \<open>push_bit n (a XOR b) = push_bit n a XOR push_bit n b\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_push_bit_iff bit_xor_iff)

lemma drop_bit_and [simp]:
  \<open>drop_bit n (a AND b) = drop_bit n a AND drop_bit n b\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_drop_bit_eq bit_and_iff)

lemma drop_bit_or [simp]:
  \<open>drop_bit n (a OR b) = drop_bit n a OR drop_bit n b\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_drop_bit_eq bit_or_iff)

lemma drop_bit_xor [simp]:
  \<open>drop_bit n (a XOR b) = drop_bit n a XOR drop_bit n b\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_drop_bit_eq bit_xor_iff)

lemma bit_mask_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (mask m) n \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<noteq> 0 \<and> n < m\<close>
  by (simp add: mask_eq_exp_minus_1 bit_mask_iff)

lemma even_mask_iff:
  \<open>even (mask n) \<longleftrightarrow> n = 0\<close>
  using bit_mask_iff [of n 0] by auto

lemma mask_0 [simp]:
  \<open>mask 0 = 0\<close>
  by (simp add: mask_eq_exp_minus_1)

lemma mask_Suc_0 [simp]:
  \<open>mask (Suc 0) = 1\<close>
  by (simp add: mask_eq_exp_minus_1 add_implies_diff sym)

lemma mask_Suc_exp:
  \<open>mask (Suc n) = 2 ^ n OR mask n\<close>
  by (rule bit_eqI)
    (auto simp add: bit_or_iff bit_mask_iff bit_exp_iff not_less le_less_Suc_eq)

lemma mask_Suc_double:
  \<open>mask (Suc n) = 1 OR 2 * mask n\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix q
  assume \<open>2 ^ q \<noteq> 0\<close>
  show \<open>bit (mask (Suc n)) q \<longleftrightarrow> bit (1 OR 2 * mask n) q\<close>
    by (cases q)
      (simp_all add: even_mask_iff even_or_iff bit_or_iff bit_mask_iff bit_exp_iff bit_double_iff not_less le_less_Suc_eq bit_1_iff, auto simp add: mult_2)
qed

lemma mask_numeral:
  \<open>mask (numeral n) = 1 + 2 * mask (pred_numeral n)\<close>
  by (simp add: numeral_eq_Suc mask_Suc_double one_or_eq ac_simps)

lemma take_bit_mask [simp]:
  \<open>take_bit m (mask n) = mask (min m n)\<close>
  by (rule bit_eqI) (simp add: bit_simps)

lemma take_bit_eq_mask:
  \<open>take_bit n a = a AND mask n\<close>
  by (rule bit_eqI)
    (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_and_iff bit_mask_iff)

lemma or_eq_0_iff:
  \<open>a OR b = 0 \<longleftrightarrow> a = 0 \<and> b = 0\<close>
  by (auto simp add: bit_eq_iff bit_or_iff)

lemma disjunctive_add:
  \<open>a + b = a OR b\<close> if \<open>\<And>n. \<not> bit a n \<or> \<not> bit b n\<close>
  by (rule bit_eqI) (use that in \<open>simp add: bit_disjunctive_add_iff bit_or_iff\<close>)

lemma bit_iff_and_drop_bit_eq_1:
  \<open>bit a n \<longleftrightarrow> drop_bit n a AND 1 = 1\<close>
  by (simp add: bit_iff_odd_drop_bit and_one_eq odd_iff_mod_2_eq_one)

lemma bit_iff_and_push_bit_not_eq_0:
  \<open>bit a n \<longleftrightarrow> a AND push_bit n 1 \<noteq> 0\<close>
  apply (cases \<open>2 ^ n = 0\<close>)
  apply (simp_all add: push_bit_of_1 bit_eq_iff bit_and_iff bit_push_bit_iff exp_eq_0_imp_not_bit)
  apply (simp_all add: bit_exp_iff)
  done

end

class ring_bit_operations = semiring_bit_operations + ring_parity +
  fixes not :: \<open>'a \<Rightarrow> 'a\<close>  (\<open>NOT\<close>)
  assumes bit_not_iff [bit_simps]: \<open>\<And>n. bit (NOT a) n \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<noteq> 0 \<and> \<not> bit a n\<close>
  assumes minus_eq_not_minus_1: \<open>- a = NOT (a - 1)\<close>
begin

text \<open>
  For the sake of code generation \<^const>\<open>not\<close> is specified as
  definitional class operation.  Note that \<^const>\<open>not\<close> has no
  sensible definition for unlimited but only positive bit strings
  (type \<^typ>\<open>nat\<close>).
\<close>

lemma bits_minus_1_mod_2_eq [simp]:
  \<open>(- 1) mod 2 = 1\<close>
  by (simp add: mod_2_eq_odd)

lemma not_eq_complement:
  \<open>NOT a = - a - 1\<close>
  using minus_eq_not_minus_1 [of \<open>a + 1\<close>] by simp

lemma minus_eq_not_plus_1:
  \<open>- a = NOT a + 1\<close>
  using not_eq_complement [of a] by simp

lemma bit_minus_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (- a) n \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<noteq> 0 \<and> \<not> bit (a - 1) n\<close>
  by (simp add: minus_eq_not_minus_1 bit_not_iff)

lemma even_not_iff [simp]:
  "even (NOT a) \ odd a"
  using bit_not_iff [of a 0] by auto

lemma bit_not_exp_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (NOT (2 ^ m)) n \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<noteq> 0 \<and> n \<noteq> m\<close>
  by (auto simp add: bit_not_iff bit_exp_iff)

lemma bit_minus_1_iff [simp]:
  \<open>bit (- 1) n \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<noteq> 0\<close>
  by (simp add: bit_minus_iff)

lemma bit_minus_exp_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (- (2 ^ m)) n \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<noteq> 0 \<and> n \<ge> m\<close>
  by (auto simp add: bit_simps simp flip: mask_eq_exp_minus_1)

lemma bit_minus_2_iff [simp]:
  \<open>bit (- 2) n \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<noteq> 0 \<and> n > 0\<close>
  by (simp add: bit_minus_iff bit_1_iff)

lemma not_one [simp]:
  "NOT 1 = - 2"
  by (simp add: bit_eq_iff bit_not_iff) (simp add: bit_1_iff)

sublocale "and": semilattice_neutr \<open>(AND)\<close> \<open>- 1\<close>
  by standard (rule bit_eqI, simp add: bit_and_iff)

sublocale bit: boolean_algebra \<open>(AND)\<close> \<open>(OR)\<close> NOT 0 \<open>- 1\<close>
  rewrites \<open>bit.xor = (XOR)\<close>
proof -
  interpret bit: boolean_algebra \<open>(AND)\<close> \<open>(OR)\<close> NOT 0 \<open>- 1\<close>
    by standard (auto simp add: bit_and_iff bit_or_iff bit_not_iff intro: bit_eqI)
  show \<open>boolean_algebra (AND) (OR) NOT 0 (- 1)\<close>
    by standard
  show \<open>boolean_algebra.xor (AND) (OR) NOT = (XOR)\<close>
    by (rule ext, rule ext, rule bit_eqI)
      (auto simp add: bit.xor_def bit_and_iff bit_or_iff bit_xor_iff bit_not_iff)
qed

lemma and_eq_not_not_or:
  \<open>a AND b = NOT (NOT a OR NOT b)\<close>
  by simp

lemma or_eq_not_not_and:
  \<open>a OR b = NOT (NOT a AND NOT b)\<close>
  by simp

lemma not_add_distrib:
  \<open>NOT (a + b) = NOT a - b\<close>
  by (simp add: not_eq_complement algebra_simps)

lemma not_diff_distrib:
  \<open>NOT (a - b) = NOT a + b\<close>
  using not_add_distrib [of a \<open>- b\<close>] by simp

lemma (in ring_bit_operations) and_eq_minus_1_iff:
  \<open>a AND b = - 1 \<longleftrightarrow> a = - 1 \<and> b = - 1\<close>
proof
  assume \<open>a = - 1 \<and> b = - 1\<close>
  then show \<open>a AND b = - 1\<close>
    by simp
next
  assume \<open>a AND b = - 1\<close>
  have *: \<open>bit a n\<close> \<open>bit b n\<close> if \<open>2 ^ n \<noteq> 0\<close> for n
  proof -
    from \<open>a AND b = - 1\<close>
    have \<open>bit (a AND b) n = bit (- 1) n\<close>
      by (simp add: bit_eq_iff)
    then show \<open>bit a n\<close> \<open>bit b n\<close>
      using that by (simp_all add: bit_and_iff)
  qed
  have \<open>a = - 1\<close>
    by (rule bit_eqI) (simp add: *)
  moreover have \<open>b = - 1\<close>
    by (rule bit_eqI) (simp add: *)
  ultimately show \<open>a = - 1 \<and> b = - 1\<close>
    by simp
qed

lemma disjunctive_diff:
  \<open>a - b = a AND NOT b\<close> if \<open>\<And>n. bit b n \<Longrightarrow> bit a n\<close>
proof -
  have \<open>NOT a + b = NOT a OR b\<close>
    by (rule disjunctive_add) (auto simp add: bit_not_iff dest: that)
  then have \<open>NOT (NOT a + b) = NOT (NOT a OR b)\<close>
    by simp
  then show ?thesis
    by (simp add: not_add_distrib)
qed

lemma push_bit_minus:
  \<open>push_bit n (- a) = - push_bit n a\<close>
  by (simp add: push_bit_eq_mult)

lemma take_bit_not_take_bit:
  \<open>take_bit n (NOT (take_bit n a)) = take_bit n (NOT a)\<close>
  by (auto simp add: bit_eq_iff bit_take_bit_iff bit_not_iff)

lemma take_bit_not_iff:
  "take_bit n (NOT a) = take_bit n (NOT b) \ take_bit n a = take_bit n b"
  apply (simp add: bit_eq_iff)
  apply (simp add: bit_not_iff bit_take_bit_iff bit_exp_iff)
  apply (use exp_eq_0_imp_not_bit in blast)
  done

lemma take_bit_not_eq_mask_diff:
  \<open>take_bit n (NOT a) = mask n - take_bit n a\<close>
proof -
  have \<open>take_bit n (NOT a) = take_bit n (NOT (take_bit n a))\<close>
    by (simp add: take_bit_not_take_bit)
  also have \<open>\<dots> = mask n AND NOT (take_bit n a)\<close>
    by (simp add: take_bit_eq_mask ac_simps)
  also have \<open>\<dots> = mask n - take_bit n a\<close>
    by (subst disjunctive_diff)
      (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_mask_iff exp_eq_0_imp_not_bit)
  finally show ?thesis
    by simp
qed

lemma mask_eq_take_bit_minus_one:
  \<open>mask n = take_bit n (- 1)\<close>
  by (simp add: bit_eq_iff bit_mask_iff bit_take_bit_iff conj_commute)

lemma take_bit_minus_one_eq_mask:
  \<open>take_bit n (- 1) = mask n\<close>
  by (simp add: mask_eq_take_bit_minus_one)

lemma minus_exp_eq_not_mask:
  \<open>- (2 ^ n) = NOT (mask n)\<close>
  by (rule bit_eqI) (simp add: bit_minus_iff bit_not_iff flip: mask_eq_exp_minus_1)

lemma push_bit_minus_one_eq_not_mask:
  \<open>push_bit n (- 1) = NOT (mask n)\<close>
  by (simp add: push_bit_eq_mult minus_exp_eq_not_mask)

lemma take_bit_not_mask_eq_0:
  \<open>take_bit m (NOT (mask n)) = 0\<close> if \<open>n \<ge> m\<close>
  by (rule bit_eqI) (use that in \<open>simp add: bit_take_bit_iff bit_not_iff bit_mask_iff\<close>)

lemma take_bit_mask [simp]:
  \<open>take_bit m (mask n) = mask (min m n)\<close>
  by (simp add: mask_eq_take_bit_minus_one)

definition set_bit :: \<open>nat \<Rightarrow> 'a \<Rightarrow> 'a\<close>
  where \<open>set_bit n a = a OR push_bit n 1\<close>

definition unset_bit :: \<open>nat \<Rightarrow> 'a \<Rightarrow> 'a\<close>
  where \<open>unset_bit n a = a AND NOT (push_bit n 1)\<close>

definition flip_bit :: \<open>nat \<Rightarrow> 'a \<Rightarrow> 'a\<close>
  where \<open>flip_bit n a = a XOR push_bit n 1\<close>

lemma bit_set_bit_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (set_bit m a) n \<longleftrightarrow> bit a n \<or> (m = n \<and> 2 ^ n \<noteq> 0)\<close>
  by (auto simp add: set_bit_def push_bit_of_1 bit_or_iff bit_exp_iff)

lemma even_set_bit_iff:
  \<open>even (set_bit m a) \<longleftrightarrow> even a \<and> m \<noteq> 0\<close>
  using bit_set_bit_iff [of m a 0] by auto

lemma bit_unset_bit_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (unset_bit m a) n \<longleftrightarrow> bit a n \<and> m \<noteq> n\<close>
  by (auto simp add: unset_bit_def push_bit_of_1 bit_and_iff bit_not_iff bit_exp_iff exp_eq_0_imp_not_bit)

lemma even_unset_bit_iff:
  \<open>even (unset_bit m a) \<longleftrightarrow> even a \<or> m = 0\<close>
  using bit_unset_bit_iff [of m a 0] by auto

lemma bit_flip_bit_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (flip_bit m a) n \<longleftrightarrow> (m = n \<longleftrightarrow> \<not> bit a n) \<and> 2 ^ n \<noteq> 0\<close>
  by (auto simp add: flip_bit_def push_bit_of_1 bit_xor_iff bit_exp_iff exp_eq_0_imp_not_bit)

lemma even_flip_bit_iff:
  \<open>even (flip_bit m a) \<longleftrightarrow> \<not> (even a \<longleftrightarrow> m = 0)\<close>
  using bit_flip_bit_iff [of m a 0] by auto

lemma set_bit_0 [simp]:
  \<open>set_bit 0 a = 1 + 2 * (a div 2)\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  assume *: \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
  then show \<open>bit (set_bit 0 a) m = bit (1 + 2 * (a div 2)) m\<close>
    by (simp add: bit_set_bit_iff bit_double_iff even_bit_succ_iff)
      (cases m, simp_all add: bit_Suc)
qed

lemma set_bit_Suc:
  \<open>set_bit (Suc n) a = a mod 2 + 2 * set_bit n (a div 2)\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  assume *: \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
  show \<open>bit (set_bit (Suc n) a) m \<longleftrightarrow> bit (a mod 2 + 2 * set_bit n (a div 2)) m\<close>
  proof (cases m)
    case 0
    then show ?thesis
      by (simp add: even_set_bit_iff)
  next
    case (Suc m)
    with * have \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
      using mult_2 by auto
    show ?thesis
      by (cases a rule: parity_cases)
        (simp_all add: bit_set_bit_iff bit_double_iff even_bit_succ_iff *,
        simp_all add: Suc \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close> bit_Suc)
  qed
qed

lemma unset_bit_0 [simp]:
  \<open>unset_bit 0 a = 2 * (a div 2)\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  assume *: \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
  then show \<open>bit (unset_bit 0 a) m = bit (2 * (a div 2)) m\<close>
    by (simp add: bit_unset_bit_iff bit_double_iff)
      (cases m, simp_all add: bit_Suc)
qed

lemma unset_bit_Suc:
  \<open>unset_bit (Suc n) a = a mod 2 + 2 * unset_bit n (a div 2)\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  assume *: \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
  then show \<open>bit (unset_bit (Suc n) a) m \<longleftrightarrow> bit (a mod 2 + 2 * unset_bit n (a div 2)) m\<close>
  proof (cases m)
    case 0
    then show ?thesis
      by (simp add: even_unset_bit_iff)
  next
    case (Suc m)
    show ?thesis
      by (cases a rule: parity_cases)
        (simp_all add: bit_unset_bit_iff bit_double_iff even_bit_succ_iff *,
         simp_all add: Suc bit_Suc)
  qed
qed

lemma flip_bit_0 [simp]:
  \<open>flip_bit 0 a = of_bool (even a) + 2 * (a div 2)\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  assume *: \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
  then show \<open>bit (flip_bit 0 a) m = bit (of_bool (even a) + 2 * (a div 2)) m\<close>
    by (simp add: bit_flip_bit_iff bit_double_iff even_bit_succ_iff)
      (cases m, simp_all add: bit_Suc)
qed

lemma flip_bit_Suc:
  \<open>flip_bit (Suc n) a = a mod 2 + 2 * flip_bit n (a div 2)\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  assume *: \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
  show \<open>bit (flip_bit (Suc n) a) m \<longleftrightarrow> bit (a mod 2 + 2 * flip_bit n (a div 2)) m\<close>
  proof (cases m)
    case 0
    then show ?thesis
      by (simp add: even_flip_bit_iff)
  next
    case (Suc m)
    with * have \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
      using mult_2 by auto
    show ?thesis
      by (cases a rule: parity_cases)
        (simp_all add: bit_flip_bit_iff bit_double_iff even_bit_succ_iff,
        simp_all add: Suc \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close> bit_Suc)
  qed
qed

lemma flip_bit_eq_if:
  \<open>flip_bit n a = (if bit a n then unset_bit else set_bit) n a\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_set_bit_iff bit_unset_bit_iff bit_flip_bit_iff)

lemma take_bit_set_bit_eq:
  \<open>take_bit n (set_bit m a) = (if n \<le> m then take_bit n a else set_bit m (take_bit n a))\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_set_bit_iff)

lemma take_bit_unset_bit_eq:
  \<open>take_bit n (unset_bit m a) = (if n \<le> m then take_bit n a else unset_bit m (take_bit n a))\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_unset_bit_iff)

lemma take_bit_flip_bit_eq:
  \<open>take_bit n (flip_bit m a) = (if n \<le> m then take_bit n a else flip_bit m (take_bit n a))\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_flip_bit_iff)

end


subsection \<open>Instance \<^typ>\<open>int\<close>\<close>

lemma int_bit_bound:
  fixes k :: int
  obtains n where \<open>\<And>m. n \<le> m \<Longrightarrow> bit k m \<longleftrightarrow> bit k n\<close>
    and \<open>n > 0 \<Longrightarrow> bit k (n - 1) \<noteq> bit k n\<close>
proof -
  obtain q where *: \<open>\<And>m. q \<le> m \<Longrightarrow> bit k m \<longleftrightarrow> bit k q\<close>
  proof (cases \<open>k \<ge> 0\<close>)
    case True
    moreover from power_gt_expt [of 2 \<open>nat k\<close>]
    have \<open>k < 2 ^ nat k\<close> by simp
    ultimately have *: \<open>k div 2 ^ nat k = 0\<close>
      by simp
    show thesis
    proof (rule that [of \<open>nat k\<close>])
      fix m
      assume \<open>nat k \<le> m\<close>
      then show \<open>bit k m \<longleftrightarrow> bit k (nat k)\<close>
        by (auto simp add: * bit_iff_odd power_add zdiv_zmult2_eq dest!: le_Suc_ex)
    qed
  next
    case False
    moreover from power_gt_expt [of 2 \<open>nat (- k)\<close>]
    have \<open>- k \<le> 2 ^ nat (- k)\<close>
      by simp
    ultimately have \<open>- k div - (2 ^ nat (- k)) = - 1\<close>
      by (subst div_pos_neg_trivial) simp_all
    then have *: \<open>k div 2 ^ nat (- k) = - 1\<close>
      by simp
    show thesis
    proof (rule that [of \<open>nat (- k)\<close>])
      fix m
      assume \<open>nat (- k) \<le> m\<close>
      then show \<open>bit k m \<longleftrightarrow> bit k (nat (- k))\<close>
        by (auto simp add: * bit_iff_odd power_add zdiv_zmult2_eq minus_1_div_exp_eq_int dest!: le_Suc_ex)
    qed
  qed
  show thesis
  proof (cases \<open>\<forall>m. bit k m \<longleftrightarrow> bit k q\<close>)
    case True
    then have \<open>bit k 0 \<longleftrightarrow> bit k q\<close>
      by blast
    with True that [of 0] show thesis
      by simp
  next
    case False
    then obtain r where **: \<open>bit k r \<noteq> bit k q\<close>
      by blast
    have \<open>r < q\<close>
      by (rule ccontr) (use * [of r] ** in simp)
    define N where \<open>N = {n. n < q \<and> bit k n \<noteq> bit k q}\<close>
    moreover have \<open>finite N\<close> \<open>r \<in> N\<close>
      using ** N_def \<open>r < q\<close> by auto
    moreover define n where \<open>n = Suc (Max N)\<close>
    ultimately have \<open>\<And>m. n \<le> m \<Longrightarrow> bit k m \<longleftrightarrow> bit k n\<close>
      apply auto
         apply (metis (full_types, lifting) "*" Max_ge_iff Suc_n_not_le_n \<open>finite N\<close> all_not_in_conv mem_Collect_eq not_le)
        apply (metis "*" Max_ge Suc_n_not_le_n \<open>finite N\<close> linorder_not_less mem_Collect_eq)
        apply (metis "*" Max_ge Suc_n_not_le_n \<open>finite N\<close> linorder_not_less mem_Collect_eq)
      apply (metis (full_types, lifting) "*" Max_ge_iff Suc_n_not_le_n \<open>finite N\<close> all_not_in_conv mem_Collect_eq not_le)
      done
    have \<open>bit k (Max N) \<noteq> bit k n\<close>
      by (metis (mono_tags, lifting) "*" Max_in N_def \<open>\<And>m. n \<le> m \<Longrightarrow> bit k m = bit k n\<close> \<open>finite N\<close> \<open>r \<in> N\<close> empty_iff le_cases mem_Collect_eq)
    show thesis apply (rule that [of n])
      using \<open>\<And>m. n \<le> m \<Longrightarrow> bit k m = bit k n\<close> apply blast
      using \<open>bit k (Max N) \<noteq> bit k n\<close> n_def by auto
  qed
qed

instantiation int :: ring_bit_operations
begin

definition not_int :: \<open>int \<Rightarrow> int\<close>
  where \<open>not_int k = - k - 1\<close>

lemma not_int_rec:
  "NOT k = of_bool (even k) + 2 * NOT (k div 2)" for k :: int
  by (auto simp add: not_int_def elim: oddE)

lemma even_not_iff_int:
  \<open>even (NOT k) \<longleftrightarrow> odd k\<close> for k :: int
  by (simp add: not_int_def)

lemma not_int_div_2:
  \<open>NOT k div 2 = NOT (k div 2)\<close> for k :: int
  by (simp add: not_int_def)

lemma bit_not_int_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (NOT k) n \<longleftrightarrow> \<not> bit k n\<close>
  for k :: int
  by (simp add: bit_not_int_iff' not_int_def)

function and_int :: \<open>int \<Rightarrow> int \<Rightarrow> int\<close>
  where \<open>(k::int) AND l = (if k \<in> {0, - 1} \<and> l \<in> {0, - 1}
    then - of_bool (odd k \<and> odd l)
    else of_bool (odd k \<and> odd l) + 2 * ((k div 2) AND (l div 2)))\<close>
  by auto

termination
  by (relation \<open>measure (\<lambda>(k, l). nat (\<bar>k\<bar> + \<bar>l\<bar>))\<close>) auto

declare and_int.simps [simp del]

lemma and_int_rec:
  \<open>k AND l = of_bool (odd k \<and> odd l) + 2 * ((k div 2) AND (l div 2))\<close>
    for k l :: int
proof (cases \<open>k \<in> {0, - 1} \<and> l \<in> {0, - 1}\<close>)
  case True
  then show ?thesis
    by auto (simp_all add: and_int.simps)
next
  case False
  then show ?thesis
    by (auto simp add: ac_simps and_int.simps [of k l])
qed

lemma bit_and_int_iff:
  \<open>bit (k AND l) n \<longleftrightarrow> bit k n \<and> bit l n\<close> for k l :: int
proof (induction n arbitrary: k l)
  case 0
  then show ?case
    by (simp add: and_int_rec [of k l])
next
  case (Suc n)
  then show ?case
    by (simp add: and_int_rec [of k l] bit_Suc)
qed

lemma even_and_iff_int:
  \<open>even (k AND l) \<longleftrightarrow> even k \<or> even l\<close> for k l :: int
  using bit_and_int_iff [of k l 0] by auto

definition or_int :: \<open>int \<Rightarrow> int \<Rightarrow> int\<close>
  where \<open>k OR l = NOT (NOT k AND NOT l)\<close> for k l :: int

lemma or_int_rec:
  \<open>k OR l = of_bool (odd k \<or> odd l) + 2 * ((k div 2) OR (l div 2))\<close>
  for k l :: int
  using and_int_rec [of \<open>NOT k\<close> \<open>NOT l\<close>]
  by (simp add: or_int_def even_not_iff_int not_int_div_2)
    (simp add: not_int_def)

lemma bit_or_int_iff:
  \<open>bit (k OR l) n \<longleftrightarrow> bit k n \<or> bit l n\<close> for k l :: int
  by (simp add: or_int_def bit_not_int_iff bit_and_int_iff)

definition xor_int :: \<open>int \<Rightarrow> int \<Rightarrow> int\<close>
  where \<open>k XOR l = k AND NOT l OR NOT k AND l\<close> for k l :: int

lemma xor_int_rec:
  \<open>k XOR l = of_bool (odd k \<noteq> odd l) + 2 * ((k div 2) XOR (l div 2))\<close>
  for k l :: int
  by (simp add: xor_int_def or_int_rec [of \<open>k AND NOT l\<close> \<open>NOT k AND l\<close>] even_and_iff_int even_not_iff_int)
    (simp add: and_int_rec [of \<open>NOT k\<close> \<open>l\<close>] and_int_rec [of \<open>k\<close> \<open>NOT l\<close>] not_int_div_2)

lemma bit_xor_int_iff:
  \<open>bit (k XOR l) n \<longleftrightarrow> bit k n \<noteq> bit l n\<close> for k l :: int
  by (auto simp add: xor_int_def bit_or_int_iff bit_and_int_iff bit_not_int_iff)

definition mask_int :: \<open>nat \<Rightarrow> int\<close>
  where \<open>mask n = (2 :: int) ^ n - 1\<close>

instance proof
  fix k l :: int and n :: nat
  show \<open>- k = NOT (k - 1)\<close>
    by (simp add: not_int_def)
  show \<open>bit (k AND l) n \<longleftrightarrow> bit k n \<and> bit l n\<close>
    by (fact bit_and_int_iff)
  show \<open>bit (k OR l) n \<longleftrightarrow> bit k n \<or> bit l n\<close>
    by (fact bit_or_int_iff)
  show \<open>bit (k XOR l) n \<longleftrightarrow> bit k n \<noteq> bit l n\<close>
    by (fact bit_xor_int_iff)
qed (simp_all add: bit_not_int_iff mask_int_def)

end


lemma mask_half_int:
  \<open>mask n div 2 = (mask (n - 1) :: int)\<close>
  by (cases n) (simp_all add: mask_eq_exp_minus_1 algebra_simps)

lemma mask_nonnegative_int [simp]:
  \<open>mask n \<ge> (0::int)\<close>
  by (simp add: mask_eq_exp_minus_1)

lemma not_mask_negative_int [simp]:
  \<open>\<not> mask n < (0::int)\<close>
  by (simp add: not_less)

lemma not_nonnegative_int_iff [simp]:
  \<open>NOT k \<ge> 0 \<longleftrightarrow> k < 0\<close> for k :: int
  by (simp add: not_int_def)

lemma not_negative_int_iff [simp]:
  \<open>NOT k < 0 \<longleftrightarrow> k \<ge> 0\<close> for k :: int
  by (subst Not_eq_iff [symmetric]) (simp add: not_less not_le)

lemma and_nonnegative_int_iff [simp]:
  \<open>k AND l \<ge> 0 \<longleftrightarrow> k \<ge> 0 \<or> l \<ge> 0\<close> for k l :: int
proof (induction k arbitrary: l rule: int_bit_induct)
  case zero
  then show ?case
    by simp
next
  case minus
  then show ?case
    by simp
next
  case (even k)
  then show ?case
    using and_int_rec [of \<open>k * 2\<close> l] by (simp add: pos_imp_zdiv_nonneg_iff)
next
  case (odd k)
  from odd have \<open>0 \<le> k AND l div 2 \<longleftrightarrow> 0 \<le> k \<or> 0 \<le> l div 2\<close>
    by simp
  then have \<open>0 \<le> (1 + k * 2) div 2 AND l div 2 \<longleftrightarrow> 0 \<le> (1 + k * 2) div 2\<or> 0 \<le> l div 2\<close>
    by simp
  with and_int_rec [of \<open>1 + k * 2\<close> l]
  show ?case
    by auto
qed

lemma and_negative_int_iff [simp]:
  \<open>k AND l < 0 \<longleftrightarrow> k < 0 \<and> l < 0\<close> for k l :: int
  by (subst Not_eq_iff [symmetric]) (simp add: not_less)

lemma and_less_eq:
  \<open>k AND l \<le> k\<close> if \<open>l < 0\<close> for k l :: int
using that proof (induction k arbitrary: l rule: int_bit_induct)
  case zero
  then show ?case
    by simp
next
  case minus
  then show ?case
    by simp
next
  case (even k)
  from even.IH [of \<open>l div 2\<close>] even.hyps even.prems
  show ?case
    by (simp add: and_int_rec [of _ l])
next
  case (odd k)
  from odd.IH [of \<open>l div 2\<close>] odd.hyps odd.prems
  show ?case
    by (simp add: and_int_rec [of _ l])
qed

lemma or_nonnegative_int_iff [simp]:
  \<open>k OR l \<ge> 0 \<longleftrightarrow> k \<ge> 0 \<and> l \<ge> 0\<close> for k l :: int
  by (simp only: or_eq_not_not_and not_nonnegative_int_iff) simp

lemma or_negative_int_iff [simp]:
  \<open>k OR l < 0 \<longleftrightarrow> k < 0 \<or> l < 0\<close> for k l :: int
  by (subst Not_eq_iff [symmetric]) (simp add: not_less)

lemma or_greater_eq:
  \<open>k OR l \<ge> k\<close> if \<open>l \<ge> 0\<close> for k l :: int
using that proof (induction k arbitrary: l rule: int_bit_induct)
  case zero
  then show ?case
    by simp
next
  case minus
  then show ?case
    by simp
next
  case (even k)
  from even.IH [of \<open>l div 2\<close>] even.hyps even.prems
  show ?case
    by (simp add: or_int_rec [of _ l])
next
  case (odd k)
  from odd.IH [of \<open>l div 2\<close>] odd.hyps odd.prems
  show ?case
    by (simp add: or_int_rec [of _ l])
qed

lemma xor_nonnegative_int_iff [simp]:
  \<open>k XOR l \<ge> 0 \<longleftrightarrow> (k \<ge> 0 \<longleftrightarrow> l \<ge> 0)\<close> for k l :: int
  by (simp only: bit.xor_def or_nonnegative_int_iff) auto

lemma xor_negative_int_iff [simp]:
  \<open>k XOR l < 0 \<longleftrightarrow> (k < 0) \<noteq> (l < 0)\<close> for k l :: int
  by (subst Not_eq_iff [symmetric]) (auto simp add: not_less)

lemma OR_upper: \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>
  fixes x y :: int
  assumes "0 \ x" "x < 2 ^ n" "y < 2 ^ n"
  shows "x OR y < 2 ^ n"
using assms proof (induction x arbitrary: y n rule: int_bit_induct)
  case zero
  then show ?case
    by simp
next
  case minus
  then show ?case
    by simp
next
  case (even x)
  from even.IH [of \<open>n - 1\<close> \<open>y div 2\<close>] even.prems even.hyps
  show ?case 
    by (cases n) (auto simp add: or_int_rec [of \<open>_ * 2\<close>] elim: oddE)
next
  case (odd x)
  from odd.IH [of \<open>n - 1\<close> \<open>y div 2\<close>] odd.prems odd.hyps
  show ?case
    by (cases n) (auto simp add: or_int_rec [of \<open>1 + _ * 2\<close>], linarith)
qed

lemma XOR_upper: \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>
  fixes x y :: int
  assumes "0 \ x" "x < 2 ^ n" "y < 2 ^ n"
  shows "x XOR y < 2 ^ n"
using assms proof (induction x arbitrary: y n rule: int_bit_induct)
  case zero
  then show ?case
    by simp
next
  case minus
  then show ?case
    by simp
next
  case (even x)
  from even.IH [of \<open>n - 1\<close> \<open>y div 2\<close>] even.prems even.hyps
  show ?case 
    by (cases n) (auto simp add: xor_int_rec [of \<open>_ * 2\<close>] elim: oddE)
next
  case (odd x)
  from odd.IH [of \<open>n - 1\<close> \<open>y div 2\<close>] odd.prems odd.hyps
  show ?case
    by (cases n) (auto simp add: xor_int_rec [of \<open>1 + _ * 2\<close>])
qed

lemma AND_lower [simp]: \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>
  fixes x y :: int
  assumes "0 \ x"
  shows "0 \ x AND y"
  using assms by simp

lemma OR_lower [simp]: \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>
  fixes x y :: int
  assumes "0 \ x" "0 \ y"
  shows "0 \ x OR y"
  using assms by simp

lemma XOR_lower [simp]: \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>
  fixes x y :: int
  assumes "0 \ x" "0 \ y"
  shows "0 \ x XOR y"
  using assms by simp

lemma AND_upper1 [simp]: \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>
  fixes x y :: int
  assumes "0 \ x"
  shows "x AND y \ x"
  using assms by (induction x arbitrary: y rule: int_bit_induct)
    (simp_all add: and_int_rec [of \<open>_ * 2\<close>] and_int_rec [of \<open>1 + _ * 2\<close>] add_increasing)

lemmas AND_upper1' [simp] = order_trans [OF AND_upper1] \<^marker>\contributor \Stefan Berghofer\\
lemmas AND_upper1'' [simp] = order_le_less_trans [OF AND_upper1] \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>

lemma AND_upper2 [simp]: \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>
  fixes x y :: int
  assumes "0 \ y"
  shows "x AND y \ y"
  using assms AND_upper1 [of y x] by (simp add: ac_simps)

lemmas AND_upper2' [simp] = order_trans [OF AND_upper2] \<^marker>\contributor \Stefan Berghofer\\
lemmas AND_upper2'' [simp] = order_le_less_trans [OF AND_upper2] \<^marker>\<open>contributor \<open>Stefan Berghofer\<close>\<close>

lemma plus_and_or: \<open>(x AND y) + (x OR y) = x + y\<close> for x y :: int
proof (induction x arbitrary: y rule: int_bit_induct)
  case zero
  then show ?case
    by simp
next
  case minus
  then show ?case
    by simp
next
  case (even x)
  from even.IH [of \<open>y div 2\<close>]
  show ?case
    by (auto simp add: and_int_rec [of _ y] or_int_rec [of _ y] elim: oddE)
next
  case (odd x)
  from odd.IH [of \<open>y div 2\<close>]
  show ?case
    by (auto simp add: and_int_rec [of _ y] or_int_rec [of _ y] elim: oddE)
qed

lemma set_bit_nonnegative_int_iff [simp]:
  \<open>set_bit n k \<ge> 0 \<longleftrightarrow> k \<ge> 0\<close> for k :: int
  by (simp add: set_bit_def)

lemma set_bit_negative_int_iff [simp]:
  \<open>set_bit n k < 0 \<longleftrightarrow> k < 0\<close> for k :: int
  by (simp add: set_bit_def)

lemma unset_bit_nonnegative_int_iff [simp]:
  \<open>unset_bit n k \<ge> 0 \<longleftrightarrow> k \<ge> 0\<close> for k :: int
  by (simp add: unset_bit_def)

lemma unset_bit_negative_int_iff [simp]:
  \<open>unset_bit n k < 0 \<longleftrightarrow> k < 0\<close> for k :: int
  by (simp add: unset_bit_def)

lemma flip_bit_nonnegative_int_iff [simp]:
  \<open>flip_bit n k \<ge> 0 \<longleftrightarrow> k \<ge> 0\<close> for k :: int
  by (simp add: flip_bit_def)

lemma flip_bit_negative_int_iff [simp]:
  \<open>flip_bit n k < 0 \<longleftrightarrow> k < 0\<close> for k :: int
  by (simp add: flip_bit_def)

lemma set_bit_greater_eq:
  \<open>set_bit n k \<ge> k\<close> for k :: int
  by (simp add: set_bit_def or_greater_eq)

lemma unset_bit_less_eq:
  \<open>unset_bit n k \<le> k\<close> for k :: int
  by (simp add: unset_bit_def and_less_eq)

lemma set_bit_eq:
  \<open>set_bit n k = k + of_bool (\<not> bit k n) * 2 ^ n\<close> for k :: int
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  show \<open>bit (set_bit n k) m \<longleftrightarrow> bit (k + of_bool (\<not> bit k n) * 2 ^ n) m\<close>
  proof (cases \<open>m = n\<close>)
    case True
    then show ?thesis
      apply (simp add: bit_set_bit_iff)
      apply (simp add: bit_iff_odd div_plus_div_distrib_dvd_right)
      done
  next
    case False
    then show ?thesis
      apply (clarsimp simp add: bit_set_bit_iff)
      apply (subst disjunctive_add)
      apply (clarsimp simp add: bit_exp_iff)
      apply (clarsimp simp add: bit_or_iff bit_exp_iff)
      done
  qed
qed

lemma unset_bit_eq:
  \<open>unset_bit n k = k - of_bool (bit k n) * 2 ^ n\<close> for k :: int
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  show \<open>bit (unset_bit n k) m \<longleftrightarrow> bit (k - of_bool (bit k n) * 2 ^ n) m\<close>
  proof (cases \<open>m = n\<close>)
    case True
    then show ?thesis
      apply (simp add: bit_unset_bit_iff)
      apply (simp add: bit_iff_odd)
      using div_plus_div_distrib_dvd_right [of \<open>2 ^ n\<close> \<open>- (2 ^ n)\<close> k]
      apply (simp add: dvd_neg_div)
      done
  next
    case False
    then show ?thesis
      apply (clarsimp simp add: bit_unset_bit_iff)
      apply (subst disjunctive_diff)
      apply (clarsimp simp add: bit_exp_iff)
      apply (clarsimp simp add: bit_and_iff bit_not_iff bit_exp_iff)
      done
  qed
qed

lemma take_bit_eq_mask_iff:
  \<open>take_bit n k = mask n \<longleftrightarrow> take_bit n (k + 1) = 0\<close> (is \<open>?P \<longleftrightarrow> ?Q\<close>)
  for k :: int
proof
  assume ?P
  then have \<open>take_bit n (take_bit n k + take_bit n 1) = 0\<close>
    by (simp add: mask_eq_exp_minus_1)
  then show ?Q
    by (simp only: take_bit_add)
next
  assume ?Q
  then have \<open>take_bit n (k + 1) - 1 = - 1\<close>
    by simp
  then have \<open>take_bit n (take_bit n (k + 1) - 1) = take_bit n (- 1)\<close>
    by simp
  moreover have \<open>take_bit n (take_bit n (k + 1) - 1) = take_bit n k\<close>
    by (simp add: take_bit_eq_mod mod_simps)
  ultimately show ?P
    by (simp add: take_bit_minus_one_eq_mask)
qed

lemma take_bit_eq_mask_iff_exp_dvd:
  \<open>take_bit n k = mask n \<longleftrightarrow> 2 ^ n dvd k + 1\<close>
  for k :: int
  by (simp add: take_bit_eq_mask_iff flip: take_bit_eq_0_iff)

context ring_bit_operations
begin

lemma even_of_int_iff:
  \<open>even (of_int k) \<longleftrightarrow> even k\<close>
  by (induction k rule: int_bit_induct) simp_all

lemma bit_of_int_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (of_int k) n \<longleftrightarrow> (2::'a) ^ n \<noteq> 0 \<and> bit k n\<close>
proof (cases \<open>(2::'a) ^ n = 0\<close>)
  case True
  then show ?thesis
    by (simp add: exp_eq_0_imp_not_bit)
next
  case False
  then have \<open>bit (of_int k) n \<longleftrightarrow> bit k n\<close>
  proof (induction k arbitrary: n rule: int_bit_induct)
    case zero
    then show ?case
      by simp
  next
    case minus
    then show ?case
      by simp
  next
    case (even k)
    then show ?case
      using bit_double_iff [of \<open>of_int k\<close> n] Parity.bit_double_iff [of k n]
      by (cases n) (auto simp add: ac_simps dest: mult_not_zero)
  next
    case (odd k)
    then show ?case
      using bit_double_iff [of \<open>of_int k\<close> n]
      by (cases n) (auto simp add: ac_simps bit_double_iff even_bit_succ_iff Parity.bit_Suc dest: mult_not_zero)
  qed
  with False show ?thesis
    by simp
qed

lemma push_bit_of_int:
  \<open>push_bit n (of_int k) = of_int (push_bit n k)\<close>
  by (simp add: push_bit_eq_mult semiring_bit_shifts_class.push_bit_eq_mult)

lemma of_int_push_bit:
  \<open>of_int (push_bit n k) = push_bit n (of_int k)\<close>
  by (simp add: push_bit_eq_mult semiring_bit_shifts_class.push_bit_eq_mult)

lemma take_bit_of_int:
  \<open>take_bit n (of_int k) = of_int (take_bit n k)\<close>
  by (rule bit_eqI) (simp add: bit_take_bit_iff Parity.bit_take_bit_iff bit_of_int_iff)

lemma of_int_take_bit:
  \<open>of_int (take_bit n k) = take_bit n (of_int k)\<close>
  by (rule bit_eqI) (simp add: bit_take_bit_iff Parity.bit_take_bit_iff bit_of_int_iff)

lemma of_int_not_eq:
  \<open>of_int (NOT k) = NOT (of_int k)\<close>
  by (rule bit_eqI) (simp add: bit_not_iff Bit_Operations.bit_not_iff bit_of_int_iff)

lemma of_int_and_eq:
  \<open>of_int (k AND l) = of_int k AND of_int l\<close>
  by (rule bit_eqI) (simp add: bit_of_int_iff bit_and_iff Bit_Operations.bit_and_iff)

lemma of_int_or_eq:
  \<open>of_int (k OR l) = of_int k OR of_int l\<close>
  by (rule bit_eqI) (simp add: bit_of_int_iff bit_or_iff Bit_Operations.bit_or_iff)

lemma of_int_xor_eq:
  \<open>of_int (k XOR l) = of_int k XOR of_int l\<close>
  by (rule bit_eqI) (simp add: bit_of_int_iff bit_xor_iff Bit_Operations.bit_xor_iff)

lemma of_int_mask_eq:
  \<open>of_int (mask n) = mask n\<close>
  by (induction n) (simp_all add: mask_Suc_double Bit_Operations.mask_Suc_double of_int_or_eq)

end

text \<open>FIXME: The rule sets below are very large (24 rules for each
  operator). Is there a simpler way to do this?\<close>

context
begin

private lemma eqI:
  \<open>k = l\<close>
  if num: \<open>\<And>n. bit k (numeral n) \<longleftrightarrow> bit l (numeral n)\<close>
    and even: \<open>even k \<longleftrightarrow> even l\<close>
  for k l :: int
proof (rule bit_eqI)
  fix n
  show \<open>bit k n \<longleftrightarrow> bit l n\<close>
  proof (cases n)
    case 0
    with even show ?thesis
      by simp
  next
    case (Suc n)
    with num [of \<open>num_of_nat (Suc n)\<close>] show ?thesis
      by (simp only: numeral_num_of_nat)
  qed
qed

lemma int_and_numerals [simp]:
  "numeral (Num.Bit0 x) AND numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (numeral x AND numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) AND numeral (Num.Bit1 y) = (2 :: int) * (numeral x AND numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) AND numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (numeral x AND numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) AND numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x AND numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) AND - numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (numeral x AND - numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) AND - numeral (Num.Bit1 y) = (2 :: int) * (numeral x AND - numeral (y + Num.One))"
  "numeral (Num.Bit1 x) AND - numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (numeral x AND - numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) AND - numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x AND - numeral (y + Num.One))"
  "- numeral (Num.Bit0 x) AND numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (- numeral x AND numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) AND numeral (Num.Bit1 y) = (2 :: int) * (- numeral x AND numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) AND numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) AND numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) AND numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) AND numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) AND - numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (- numeral x AND - numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) AND - numeral (Num.Bit1 y) = (2 :: int) * (- numeral x AND - numeral (y + Num.One))"
  "- numeral (Num.Bit1 x) AND - numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) AND - numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) AND - numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) AND - numeral (y + Num.One))"
  "(1::int) AND numeral (Num.Bit0 y) = 0"
  "(1::int) AND numeral (Num.Bit1 y) = 1"
  "(1::int) AND - numeral (Num.Bit0 y) = 0"
  "(1::int) AND - numeral (Num.Bit1 y) = 1"
  "numeral (Num.Bit0 x) AND (1::int) = 0"
  "numeral (Num.Bit1 x) AND (1::int) = 1"
  "- numeral (Num.Bit0 x) AND (1::int) = 0"
  "- numeral (Num.Bit1 x) AND (1::int) = 1"
  by (auto simp add: bit_and_iff bit_minus_iff even_and_iff bit_double_iff even_bit_succ_iff add_One sub_inc_One_eq intro: eqI)

lemma int_or_numerals [simp]:
  "numeral (Num.Bit0 x) OR numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (numeral x OR numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) OR numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x OR numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) OR numeral (Num.Bit0 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x OR numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) OR numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x OR numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) OR - numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (numeral x OR - numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) OR - numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x OR - numeral (y + Num.One))"
  "numeral (Num.Bit1 x) OR - numeral (Num.Bit0 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x OR - numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) OR - numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x OR - numeral (y + Num.One))"
  "- numeral (Num.Bit0 x) OR numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (- numeral x OR numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) OR numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral x OR numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) OR numeral (Num.Bit0 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) OR numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) OR numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) OR numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) OR - numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (- numeral x OR - numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) OR - numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral x OR - numeral (y + Num.One))"
  "- numeral (Num.Bit1 x) OR - numeral (Num.Bit0 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) OR - numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) OR - numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) OR - numeral (y + Num.One))"
  "(1::int) OR numeral (Num.Bit0 y) = numeral (Num.Bit1 y)"
  "(1::int) OR numeral (Num.Bit1 y) = numeral (Num.Bit1 y)"
  "(1::int) OR - numeral (Num.Bit0 y) = - numeral (Num.BitM y)"
  "(1::int) OR - numeral (Num.Bit1 y) = - numeral (Num.Bit1 y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) OR (1::int) = numeral (Num.Bit1 x)"
  "numeral (Num.Bit1 x) OR (1::int) = numeral (Num.Bit1 x)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) OR (1::int) = - numeral (Num.BitM x)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) OR (1::int) = - numeral (Num.Bit1 x)"
  by (auto simp add: bit_or_iff bit_minus_iff even_or_iff bit_double_iff even_bit_succ_iff add_One sub_inc_One_eq sub_BitM_One_eq intro: eqI)

lemma int_xor_numerals [simp]:
  "numeral (Num.Bit0 x) XOR numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (numeral x XOR numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) XOR numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x XOR numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) XOR numeral (Num.Bit0 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x XOR numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) XOR numeral (Num.Bit1 y) = (2 :: int) * (numeral x XOR numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) XOR - numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (numeral x XOR - numeral y)"
  "numeral (Num.Bit0 x) XOR - numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x XOR - numeral (y + Num.One))"
  "numeral (Num.Bit1 x) XOR - numeral (Num.Bit0 y) = 1 + (2 :: int) * (numeral x XOR - numeral y)"
  "numeral (Num.Bit1 x) XOR - numeral (Num.Bit1 y) = (2 :: int) * (numeral x XOR - numeral (y + Num.One))"
  "- numeral (Num.Bit0 x) XOR numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (- numeral x XOR numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) XOR numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral x XOR numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) XOR numeral (Num.Bit0 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) XOR numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) XOR numeral (Num.Bit1 y) = (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) XOR numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) XOR - numeral (Num.Bit0 y) = (2 :: int) * (- numeral x XOR - numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) XOR - numeral (Num.Bit1 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral x XOR - numeral (y + Num.One))"
  "- numeral (Num.Bit1 x) XOR - numeral (Num.Bit0 y) = 1 + (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) XOR - numeral y)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) XOR - numeral (Num.Bit1 y) = (2 :: int) * (- numeral (x + Num.One) XOR - numeral (y + Num.One))"
  "(1::int) XOR numeral (Num.Bit0 y) = numeral (Num.Bit1 y)"
  "(1::int) XOR numeral (Num.Bit1 y) = numeral (Num.Bit0 y)"
  "(1::int) XOR - numeral (Num.Bit0 y) = - numeral (Num.BitM y)"
  "(1::int) XOR - numeral (Num.Bit1 y) = - numeral (Num.Bit0 (y + Num.One))"
  "numeral (Num.Bit0 x) XOR (1::int) = numeral (Num.Bit1 x)"
  "numeral (Num.Bit1 x) XOR (1::int) = numeral (Num.Bit0 x)"
  "- numeral (Num.Bit0 x) XOR (1::int) = - numeral (Num.BitM x)"
  "- numeral (Num.Bit1 x) XOR (1::int) = - numeral (Num.Bit0 (x + Num.One))"
  by (auto simp add: bit_xor_iff bit_minus_iff even_xor_iff bit_double_iff even_bit_succ_iff add_One sub_inc_One_eq sub_BitM_One_eq intro: eqI)

end


subsection \<open>Bit concatenation\<close>

definition concat_bit :: \<open>nat \<Rightarrow> int \<Rightarrow> int \<Rightarrow> int\<close>
  where \<open>concat_bit n k l = take_bit n k OR push_bit n l\<close>

lemma bit_concat_bit_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (concat_bit m k l) n \<longleftrightarrow> n < m \<and> bit k n \<or> m \<le> n \<and> bit l (n - m)\<close>
  by (simp add: concat_bit_def bit_or_iff bit_and_iff bit_take_bit_iff bit_push_bit_iff ac_simps)

lemma concat_bit_eq:
  \<open>concat_bit n k l = take_bit n k + push_bit n l\<close>
  by (simp add: concat_bit_def take_bit_eq_mask
    bit_and_iff bit_mask_iff bit_push_bit_iff disjunctive_add)

lemma concat_bit_0 [simp]:
  \<open>concat_bit 0 k l = l\<close>
  by (simp add: concat_bit_def)

lemma concat_bit_Suc:
  \<open>concat_bit (Suc n) k l = k mod 2 + 2 * concat_bit n (k div 2) l\<close>
  by (simp add: concat_bit_eq take_bit_Suc push_bit_double)

lemma concat_bit_of_zero_1 [simp]:
  \<open>concat_bit n 0 l = push_bit n l\<close>
  by (simp add: concat_bit_def)

lemma concat_bit_of_zero_2 [simp]:
  \<open>concat_bit n k 0 = take_bit n k\<close>
  by (simp add: concat_bit_def take_bit_eq_mask)

lemma concat_bit_nonnegative_iff [simp]:
  \<open>concat_bit n k l \<ge> 0 \<longleftrightarrow> l \<ge> 0\<close>
  by (simp add: concat_bit_def)

lemma concat_bit_negative_iff [simp]:
  \<open>concat_bit n k l < 0 \<longleftrightarrow> l < 0\<close>
  by (simp add: concat_bit_def)

lemma concat_bit_assoc:
  \<open>concat_bit n k (concat_bit m l r) = concat_bit (m + n) (concat_bit n k l) r\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_concat_bit_iff ac_simps)

lemma concat_bit_assoc_sym:
  \<open>concat_bit m (concat_bit n k l) r = concat_bit (min m n) k (concat_bit (m - n) l r)\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_concat_bit_iff ac_simps min_def)

lemma concat_bit_eq_iff:
  \<open>concat_bit n k l = concat_bit n r s
    \<longleftrightarrow> take_bit n k = take_bit n r \<and> l = s\<close> (is \<open>?P \<longleftrightarrow> ?Q\<close>)
proof
  assume ?Q
  then show ?P
    by (simp add: concat_bit_def)
next
  assume ?P
  then have *: \<open>bit (concat_bit n k l) m = bit (concat_bit n r s) m\<close> for m
    by (simp add: bit_eq_iff)
  have \<open>take_bit n k = take_bit n r\<close>
  proof (rule bit_eqI)
    fix m
    from * [of m]
    show \<open>bit (take_bit n k) m \<longleftrightarrow> bit (take_bit n r) m\<close>
      by (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_concat_bit_iff)
  qed
  moreover have \<open>push_bit n l = push_bit n s\<close>
  proof (rule bit_eqI)
    fix m
    from * [of m]
    show \<open>bit (push_bit n l) m \<longleftrightarrow> bit (push_bit n s) m\<close>
      by (auto simp add: bit_push_bit_iff bit_concat_bit_iff)
  qed
  then have \<open>l = s\<close>
    by (simp add: push_bit_eq_mult)
  ultimately show ?Q
    by (simp add: concat_bit_def)
qed

lemma take_bit_concat_bit_eq:
  \<open>take_bit m (concat_bit n k l) = concat_bit (min m n) k (take_bit (m - n) l)\<close>
  by (rule bit_eqI)
    (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_concat_bit_iff min_def)  

lemma concat_bit_take_bit_eq:
  \<open>concat_bit n (take_bit n b) = concat_bit n b\<close>
  by (simp add: concat_bit_def [abs_def])


subsection \<open>Taking bits with sign propagation\<close>

context ring_bit_operations
begin

definition signed_take_bit :: \<open>nat \<Rightarrow> 'a \<Rightarrow> 'a\<close>
  where \<open>signed_take_bit n a = take_bit n a OR (of_bool (bit a n) * NOT (mask n))\<close>

lemma signed_take_bit_eq_if_positive:
  \<open>signed_take_bit n a = take_bit n a\<close> if \<open>\<not> bit a n\<close>
  using that by (simp add: signed_take_bit_def)

lemma signed_take_bit_eq_if_negative:
  \<open>signed_take_bit n a = take_bit n a OR NOT (mask n)\<close> if \<open>bit a n\<close>
  using that by (simp add: signed_take_bit_def)

lemma even_signed_take_bit_iff:
  \<open>even (signed_take_bit m a) \<longleftrightarrow> even a\<close>
  by (auto simp add: signed_take_bit_def even_or_iff even_mask_iff bit_double_iff)

lemma bit_signed_take_bit_iff [bit_simps]:
  \<open>bit (signed_take_bit m a) n \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<noteq> 0 \<and> bit a (min m n)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_def bit_take_bit_iff bit_or_iff bit_not_iff bit_mask_iff min_def not_le)
    (use exp_eq_0_imp_not_bit in blast)

lemma signed_take_bit_0 [simp]:
  \<open>signed_take_bit 0 a = - (a mod 2)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_def odd_iff_mod_2_eq_one)

lemma signed_take_bit_Suc:
  \<open>signed_take_bit (Suc n) a = a mod 2 + 2 * signed_take_bit n (a div 2)\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix m
  assume *: \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
  show \<open>bit (signed_take_bit (Suc n) a) m \<longleftrightarrow>
    bit (a mod 2 + 2 * signed_take_bit n (a div 2)) m\<close>
  proof (cases m)
    case 0
    then show ?thesis
      by (simp add: even_signed_take_bit_iff)
  next
    case (Suc m)
    with * have \<open>2 ^ m \<noteq> 0\<close>
      by (metis mult_not_zero power_Suc)
    with Suc show ?thesis
      by (simp add: bit_signed_take_bit_iff mod2_eq_if bit_double_iff even_bit_succ_iff
        ac_simps flip: bit_Suc)
  qed
qed

lemma signed_take_bit_of_0 [simp]:
  \<open>signed_take_bit n 0 = 0\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_def)

lemma signed_take_bit_of_minus_1 [simp]:
  \<open>signed_take_bit n (- 1) = - 1\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_def take_bit_minus_one_eq_mask mask_eq_exp_minus_1)

lemma signed_take_bit_Suc_1 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (Suc n) 1 = 1\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_Suc)

lemma signed_take_bit_rec:
  \<open>signed_take_bit n a = (if n = 0 then - (a mod 2) else a mod 2 + 2 * signed_take_bit (n - 1) (a div 2))\<close>
  by (cases n) (simp_all add: signed_take_bit_Suc)

lemma signed_take_bit_eq_iff_take_bit_eq:
  \<open>signed_take_bit n a = signed_take_bit n b \<longleftrightarrow> take_bit (Suc n) a = take_bit (Suc n) b\<close>
proof -
  have \<open>bit (signed_take_bit n a) = bit (signed_take_bit n b) \<longleftrightarrow> bit (take_bit (Suc n) a) = bit (take_bit (Suc n) b)\<close>
    by (simp add: fun_eq_iff bit_signed_take_bit_iff bit_take_bit_iff not_le less_Suc_eq_le min_def)
      (use exp_eq_0_imp_not_bit in fastforce)
  then show ?thesis
    by (simp add: bit_eq_iff fun_eq_iff)
qed

lemma signed_take_bit_signed_take_bit [simp]:
  \<open>signed_take_bit m (signed_take_bit n a) = signed_take_bit (min m n) a\<close>
proof (rule bit_eqI)
  fix q
  show \<open>bit (signed_take_bit m (signed_take_bit n a)) q \<longleftrightarrow>
    bit (signed_take_bit (min m n) a) q\<close>
    by (simp add: bit_signed_take_bit_iff min_def bit_or_iff bit_not_iff bit_mask_iff bit_take_bit_iff)
      (use le_Suc_ex exp_add_not_zero_imp in blast)
qed

lemma signed_take_bit_take_bit:
  \<open>signed_take_bit m (take_bit n a) = (if n \<le> m then take_bit n else signed_take_bit m) a\<close>
  by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_signed_take_bit_iff min_def bit_take_bit_iff)

lemma take_bit_signed_take_bit:
  \<open>take_bit m (signed_take_bit n a) = take_bit m a\<close> if \<open>m \<le> Suc n\<close>
  using that by (rule le_SucE; intro bit_eqI)
   (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_signed_take_bit_iff min_def less_Suc_eq)

end

text \<open>Modulus centered around 0\<close>

lemma signed_take_bit_eq_concat_bit:
  \<open>signed_take_bit n k = concat_bit n k (- of_bool (bit k n))\<close>
  by (simp add: concat_bit_def signed_take_bit_def push_bit_minus_one_eq_not_mask)

lemma signed_take_bit_add:
  \<open>signed_take_bit n (signed_take_bit n k + signed_take_bit n l) = signed_take_bit n (k + l)\<close>
  for k l :: int
proof -
  have \<open>take_bit (Suc n)
     (take_bit (Suc n) (signed_take_bit n k) +
      take_bit (Suc n) (signed_take_bit n l)) =
    take_bit (Suc n) (k + l)\<close>
    by (simp add: take_bit_signed_take_bit take_bit_add)
  then show ?thesis
    by (simp only: signed_take_bit_eq_iff_take_bit_eq take_bit_add)
qed

lemma signed_take_bit_diff:
  \<open>signed_take_bit n (signed_take_bit n k - signed_take_bit n l) = signed_take_bit n (k - l)\<close>
  for k l :: int
proof -
  have \<open>take_bit (Suc n)
     (take_bit (Suc n) (signed_take_bit n k) -
      take_bit (Suc n) (signed_take_bit n l)) =
    take_bit (Suc n) (k - l)\<close>
    by (simp add: take_bit_signed_take_bit take_bit_diff)
  then show ?thesis
    by (simp only: signed_take_bit_eq_iff_take_bit_eq take_bit_diff)
qed

lemma signed_take_bit_minus:
  \<open>signed_take_bit n (- signed_take_bit n k) = signed_take_bit n (- k)\<close>
  for k :: int
proof -
  have \<open>take_bit (Suc n)
     (- take_bit (Suc n) (signed_take_bit n k)) =
    take_bit (Suc n) (- k)\<close>
    by (simp add: take_bit_signed_take_bit take_bit_minus)
  then show ?thesis
    by (simp only: signed_take_bit_eq_iff_take_bit_eq take_bit_minus)
qed

lemma signed_take_bit_mult:
  \<open>signed_take_bit n (signed_take_bit n k * signed_take_bit n l) = signed_take_bit n (k * l)\<close>
  for k l :: int
proof -
  have \<open>take_bit (Suc n)
     (take_bit (Suc n) (signed_take_bit n k) *
      take_bit (Suc n) (signed_take_bit n l)) =
    take_bit (Suc n) (k * l)\<close>
    by (simp add: take_bit_signed_take_bit take_bit_mult)
  then show ?thesis
    by (simp only: signed_take_bit_eq_iff_take_bit_eq take_bit_mult)
qed

lemma signed_take_bit_eq_take_bit_minus:
  \<open>signed_take_bit n k = take_bit (Suc n) k - 2 ^ Suc n * of_bool (bit k n)\<close>
  for k :: int
proof (cases \<open>bit k n\<close>)
  case True
  have \<open>signed_take_bit n k = take_bit (Suc n) k OR NOT (mask (Suc n))\<close>
    by (rule bit_eqI) (auto simp add: bit_signed_take_bit_iff min_def bit_take_bit_iff bit_or_iff bit_not_iff bit_mask_iff less_Suc_eq True)
  then have \<open>signed_take_bit n k = take_bit (Suc n) k + NOT (mask (Suc n))\<close>
    by (simp add: disjunctive_add bit_take_bit_iff bit_not_iff bit_mask_iff)
  with True show ?thesis
    by (simp flip: minus_exp_eq_not_mask)
next
  case False
  show ?thesis
    by (rule bit_eqI) (simp add: False bit_signed_take_bit_iff bit_take_bit_iff min_def less_Suc_eq)
qed

lemma signed_take_bit_eq_take_bit_shift:
  \<open>signed_take_bit n k = take_bit (Suc n) (k + 2 ^ n) - 2 ^ n\<close>
  for k :: int
proof -
  have *: \<open>take_bit n k OR 2 ^ n = take_bit n k + 2 ^ n\<close>
    by (simp add: disjunctive_add bit_exp_iff bit_take_bit_iff)
  have \<open>take_bit n k - 2 ^ n = take_bit n k + NOT (mask n)\<close>
    by (simp add: minus_exp_eq_not_mask)
  also have \<open>\<dots> = take_bit n k OR NOT (mask n)\<close>
    by (rule disjunctive_add)
      (simp add: bit_exp_iff bit_take_bit_iff bit_not_iff bit_mask_iff)
  finally have **: \<open>take_bit n k - 2 ^ n = take_bit n k OR NOT (mask n)\<close> .
  have \<open>take_bit (Suc n) (k + 2 ^ n) = take_bit (Suc n) (take_bit (Suc n) k + take_bit (Suc n) (2 ^ n))\<close>
    by (simp only: take_bit_add)
  also have \<open>take_bit (Suc n) k = 2 ^ n * of_bool (bit k n) + take_bit n k\<close>
    by (simp add: take_bit_Suc_from_most)
  finally have \<open>take_bit (Suc n) (k + 2 ^ n) = take_bit (Suc n) (2 ^ (n + of_bool (bit k n)) + take_bit n k)\<close>
    by (simp add: ac_simps)
  also have \<open>2 ^ (n + of_bool (bit k n)) + take_bit n k = 2 ^ (n + of_bool (bit k n)) OR take_bit n k\<close>
    by (rule disjunctive_add)
      (auto simp add: disjunctive_add bit_take_bit_iff bit_double_iff bit_exp_iff)
  finally show ?thesis
    using * ** by (simp add: signed_take_bit_def concat_bit_Suc min_def ac_simps)
qed

lemma signed_take_bit_nonnegative_iff [simp]:
  \<open>0 \<le> signed_take_bit n k \<longleftrightarrow> \<not> bit k n\<close>
  for k :: int
  by (simp add: signed_take_bit_def not_less concat_bit_def)

lemma signed_take_bit_negative_iff [simp]:
  \<open>signed_take_bit n k < 0 \<longleftrightarrow> bit k n\<close>
  for k :: int
  by (simp add: signed_take_bit_def not_less concat_bit_def)

lemma signed_take_bit_int_eq_self_iff:
  \<open>signed_take_bit n k = k \<longleftrightarrow> - (2 ^ n) \<le> k \<and> k < 2 ^ n\<close>
  for k :: int
  by (auto simp add: signed_take_bit_eq_take_bit_shift take_bit_int_eq_self_iff algebra_simps)

lemma signed_take_bit_int_eq_self:
  \<open>signed_take_bit n k = k\<close> if \<open>- (2 ^ n) \<le> k\<close> \<open>k < 2 ^ n\<close>
  for k :: int
  using that by (simp add: signed_take_bit_int_eq_self_iff)

lemma signed_take_bit_int_less_eq_self_iff:
  \<open>signed_take_bit n k \<le> k \<longleftrightarrow> - (2 ^ n) \<le> k\<close>
  for k :: int
  by (simp add: signed_take_bit_eq_take_bit_shift take_bit_int_less_eq_self_iff algebra_simps)
    linarith

lemma signed_take_bit_int_less_self_iff:
  \<open>signed_take_bit n k < k \<longleftrightarrow> 2 ^ n \<le> k\<close>
  for k :: int
  by (simp add: signed_take_bit_eq_take_bit_shift take_bit_int_less_self_iff algebra_simps)

lemma signed_take_bit_int_greater_self_iff:
  \<open>k < signed_take_bit n k \<longleftrightarrow> k < - (2 ^ n)\<close>
  for k :: int
  by (simp add: signed_take_bit_eq_take_bit_shift take_bit_int_greater_self_iff algebra_simps)
    linarith

lemma signed_take_bit_int_greater_eq_self_iff:
  \<open>k \<le> signed_take_bit n k \<longleftrightarrow> k < 2 ^ n\<close>
  for k :: int
  by (simp add: signed_take_bit_eq_take_bit_shift take_bit_int_greater_eq_self_iff algebra_simps)

lemma signed_take_bit_int_greater_eq:
  \<open>k + 2 ^ Suc n \<le> signed_take_bit n k\<close> if \<open>k < - (2 ^ n)\<close>
  for k :: int
  using that take_bit_int_greater_eq [of \<open>k + 2 ^ n\<close> \<open>Suc n\<close>]
  by (simp add: signed_take_bit_eq_take_bit_shift)

lemma signed_take_bit_int_less_eq:
  \<open>signed_take_bit n k \<le> k - 2 ^ Suc n\<close> if \<open>k \<ge> 2 ^ n\<close>
  for k :: int
  using that take_bit_int_less_eq [of \<open>Suc n\<close> \<open>k + 2 ^ n\<close>]
  by (simp add: signed_take_bit_eq_take_bit_shift)

lemma signed_take_bit_Suc_bit0 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (Suc n) (numeral (Num.Bit0 k)) = signed_take_bit n (numeral k) * (2 :: int)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_Suc)

lemma signed_take_bit_Suc_bit1 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (Suc n) (numeral (Num.Bit1 k)) = signed_take_bit n (numeral k) * 2 + (1 :: int)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_Suc)

lemma signed_take_bit_Suc_minus_bit0 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (Suc n) (- numeral (Num.Bit0 k)) = signed_take_bit n (- numeral k) * (2 :: int)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_Suc)

lemma signed_take_bit_Suc_minus_bit1 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (Suc n) (- numeral (Num.Bit1 k)) = signed_take_bit n (- numeral k - 1) * 2 + (1 :: int)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_Suc)

lemma signed_take_bit_numeral_bit0 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (numeral l) (numeral (Num.Bit0 k)) = signed_take_bit (pred_numeral l) (numeral k) * (2 :: int)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_rec)

lemma signed_take_bit_numeral_bit1 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (numeral l) (numeral (Num.Bit1 k)) = signed_take_bit (pred_numeral l) (numeral k) * 2 + (1 :: int)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_rec)

lemma signed_take_bit_numeral_minus_bit0 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (numeral l) (- numeral (Num.Bit0 k)) = signed_take_bit (pred_numeral l) (- numeral k) * (2 :: int)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_rec)

lemma signed_take_bit_numeral_minus_bit1 [simp]:
  \<open>signed_take_bit (numeral l) (- numeral (Num.Bit1 k)) = signed_take_bit (pred_numeral l) (- numeral k - 1) * 2 + (1 :: int)\<close>
  by (simp add: signed_take_bit_rec)

lemma signed_take_bit_code [code]:
  \<open>signed_take_bit n a =
  (let l = take_bit (Suc n) a
   in if bit l n then l + push_bit (Suc n) (- 1) else l)\<close>
proof -
  have *: \<open>take_bit (Suc n) a + push_bit n (- 2) =
    take_bit (Suc n) a OR NOT (mask (Suc n))\<close>
    by (auto simp add: bit_take_bit_iff bit_push_bit_iff bit_not_iff bit_mask_iff disjunctive_add
       simp flip: push_bit_minus_one_eq_not_mask)
  show ?thesis
    by (rule bit_eqI)
      (auto simp add: Let_def * bit_signed_take_bit_iff bit_take_bit_iff min_def less_Suc_eq bit_not_iff bit_mask_iff bit_or_iff)
qed

lemma not_minus_numeral_inc_eq:
  \<open>NOT (- numeral (Num.inc n)) = (numeral n :: int)\<close>
  by (simp add: not_int_def sub_inc_One_eq)


subsection \<open>Instance \<^typ>\<open>nat\<close>\<close>

instantiation nat :: semiring_bit_operations
begin

definition and_nat :: \<open>nat \<Rightarrow> nat \<Rightarrow> nat\<close>
  where \<open>m AND n = nat (int m AND int n)\<close> for m n :: nat

definition or_nat :: \<open>nat \<Rightarrow> nat \<Rightarrow> nat\<close>
  where \<open>m OR n = nat (int m OR int n)\<close> for m n :: nat

definition xor_nat :: \<open>nat \<Rightarrow> nat \<Rightarrow> nat\<close>
  where \<open>m XOR n = nat (int m XOR int n)\<close> for m n :: nat

definition mask_nat :: \<open>nat \<Rightarrow> nat\<close>
  where \<open>mask n = (2 :: nat) ^ n - 1\<close>

instance proof
  fix m n q :: nat
  show \<open>bit (m AND n) q \<longleftrightarrow> bit m q \<and> bit n q\<close>
    by (simp add: and_nat_def bit_simps)
  show \<open>bit (m OR n) q \<longleftrightarrow> bit m q \<or> bit n q\<close>
    by (simp add: or_nat_def bit_simps)
  show \<open>bit (m XOR n) q \<longleftrightarrow> bit m q \<noteq> bit n q\<close>
    by (simp add: xor_nat_def bit_simps)
qed (simp add: mask_nat_def)

end

lemma and_nat_rec:
  \<open>m AND n = of_bool (odd m \<and> odd n) + 2 * ((m div 2) AND (n div 2))\<close> for m n :: nat
  by (simp add: and_nat_def and_int_rec [of \<open>int m\<close> \<open>int n\<close>] zdiv_int nat_add_distrib nat_mult_distrib)

lemma or_nat_rec:
  \<open>m OR n = of_bool (odd m \<or> odd n) + 2 * ((m div 2) OR (n div 2))\<close> for m n :: nat
  by (simp add: or_nat_def or_int_rec [of \<open>int m\<close> \<open>int n\<close>] zdiv_int nat_add_distrib nat_mult_distrib)

lemma xor_nat_rec:
  \<open>m XOR n = of_bool (odd m \<noteq> odd n) + 2 * ((m div 2) XOR (n div 2))\<close> for m n :: nat
  by (simp add: xor_nat_def xor_int_rec [of \<open>int m\<close> \<open>int n\<close>] zdiv_int nat_add_distrib nat_mult_distrib)

lemma Suc_0_and_eq [simp]:
  \<open>Suc 0 AND n = n mod 2\<close>
  using one_and_eq [of n] by simp

lemma and_Suc_0_eq [simp]:
  \<open>n AND Suc 0 = n mod 2\<close>
  using and_one_eq [of n] by simp

lemma Suc_0_or_eq:
  \<open>Suc 0 OR n = n + of_bool (even n)\<close>
  using one_or_eq [of n] by simp

lemma or_Suc_0_eq:
  \<open>n OR Suc 0 = n + of_bool (even n)\<close>
  using or_one_eq [of n] by simp

lemma Suc_0_xor_eq:
  \<open>Suc 0 XOR n = n + of_bool (even n) - of_bool (odd n)\<close>
  using one_xor_eq [of n] by simp

lemma xor_Suc_0_eq:
  \<open>n XOR Suc 0 = n + of_bool (even n) - of_bool (odd n)\<close>
  using xor_one_eq [of n] by simp

context semiring_bit_operations
begin

lemma of_nat_and_eq:
  \<open>of_nat (m AND n) = of_nat m AND of_nat n\<close>
--> --------------------

--> maximum size reached

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

¤ Dauer der Verarbeitung: 0.80 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤





Download des
Quellennavigators
Download des
sprechenden Kalenders

in der Quellcodebibliothek suchen




Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.


Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.


Bot Zugriff