helm/software/matita/nlibrary/sets/partitions.ma

   1 (**************************************************************************)
   2 (*       ___                                                              *)
   3 (*      ||M||                                                             *)
   4 (*      ||A||       A project by Andrea Asperti                           *)
   5 (*      ||T||                                                             *)
   6 (*      ||I||       Developers:                                           *)
   7 (*      ||T||         The HELM team.                                      *)
   8 (*      ||A||         http://helm.cs.unibo.it                             *)
   9 (*      \   /                                                             *)
  10 (*       \ /        This file is distributed under the terms of the       *)
  11 (*        v         GNU General Public License Version 2                  *)
  12 (*                                                                        *)
  13 (**************************************************************************)
  14
  15 include "sets/sets.ma".
  16 include "nat/plus.ma".
  17 include "nat/compare.ma".
  18 include "nat/minus.ma".
  19 include "datatypes/pairs.ma".
  20
  21
  22 alias symbol "eq" = "setoid eq".
  23 alias symbol "eq" = "setoid1 eq".
  24 alias symbol "eq" = "setoid eq".
  25 alias symbol "eq" = "setoid1 eq".
  26 alias symbol "eq" = "setoid eq".
  27 alias symbol "eq" = "setoid1 eq".
  28 alias symbol "eq" = "setoid eq".
  29 nrecord partition (A: setoid) : Type[1] ≝
  30  { support: setoid;
  31    indexes: qpowerclass support;
  32    class: unary_morphism1 (setoid1_of_setoid support) (qpowerclass_setoid A);
  33    inhabited: ∀i. i ∈ indexes → class i ≬ class i;
  34    disjoint: ∀i,j. i ∈ indexes → j ∈ indexes → class i ≬ class j → i=j;
  35    covers: big_union support ? ? (λx.class x) = full_set A
  36  }. napply indexes; nqed.
  37
  38 naxiom daemon: False.
  39
  40 nlet rec iso_nat_nat_union (s: nat → nat) m index on index : pair nat nat ≝
  41  match ltb m (s index) with
  42   [ true ⇒ mk_pair … index m
  43   | false ⇒
  44      match index with
  45       [ O ⇒ (* dummy value: it could be an elim False: *) mk_pair … O O
  46       | S index' ⇒ iso_nat_nat_union s (minus m (s index)) index']].
  47
  48 alias symbol "eq" = "leibnitz's equality".
  49 naxiom plus_n_O: ∀n. n + O = n.
  50 naxiom plus_n_S: ∀n,m. n + S m = S (n + m).
  51 naxiom ltb_t: ∀n,m. n < m → ltb n m = true.
  52 naxiom ltb_f: ∀n,m. ¬ (n < m) → ltb n m = false.
  53 naxiom ltb_cases: ∀n,m. (n < m ∧ ltb n m = true) ∨ (¬ (n < m) ∧ ltb n m = false).
  54 naxiom minus_canc: ∀n. minus n n = O.
  55 naxiom ad_hoc9: ∀a,b,c. a < b + c → a - b < c.
  56 naxiom ad_hoc10: ∀a,b,c. a - b = c → a = b + c.
  57 naxiom ad_hoc11: ∀a,b. a - b ≤ S a - b.
  58 naxiom ad_hoc12: ∀a,b. b ≤ a → S a - b - (a - b) = S O.
  59 naxiom ad_hoc13: ∀a,b. b ≤ a → (O + (a - b)) + b = a.
  60 naxiom ad_hoc14: ∀a,b,c,d,e. c ≤ a → a - c = b + d + e → a = b + (c + d) + e.
  61 naxiom ad_hoc15: ∀a,a',b,c. a=a' → b < c → a + b < c + a'.
  62 naxiom ad_hoc16: ∀a,b,c. a < c → a < b + c.
  63 naxiom not_lt_to_le: ∀a,b. ¬ (a < b) → b ≤ a.
  64 naxiom le_to_le_S_S: ∀a,b. a ≤ b → S a ≤ S b.
  65 naxiom minus_S_S: ∀a,b. S a - S b = a - b.
  66 naxiom minus_S: ∀n. S n - n = S O.
  67 naxiom ad_hoc17: ∀a,b,c,d,d'. a+c+d=b+c+d' → a+d=b+d'.
  68 naxiom split_big_plus:
  69   ∀n,m,f. m ≤ n →
  70    big_plus n f = big_plus m (λi,p.f i ?) + big_plus (n - m) (λi.λp.f (i + m) ?).
  71  nelim daemon.
  72 nqed.
  73 naxiom big_plus_preserves_ext:
  74  ∀n,f,f'. (∀i,p. f i p = f' i p) → big_plus n f = big_plus n f'.
  75
  76 ntheorem iso_nat_nat_union_char:
  77  ∀n:nat. ∀s: nat → nat. ∀m:nat. m < big_plus (S n) (λi.λ_.s i) →
  78   let p ≝ iso_nat_nat_union s m n in
  79    m = big_plus (n - fst … p) (λi.λ_.s (S (i + fst … p))) + snd … p ∧
  80     fst … p ≤ n ∧ snd … p < s (fst … p).
  81  #n; #s; nelim n
  82   [ #m; nwhd in ⊢ (??% → let p ≝ % in ?); nwhd in ⊢ (??(??%) → ?);
  83     nrewrite > (plus_n_O (s O)); #H; nrewrite > (ltb_t … H); nnormalize;
  84     napply conj [ napply conj [ napply refl | napply le_n ] ##| nassumption ]
  85 ##| #n'; #Hrec; #m; nwhd in ⊢ (??% → let p ≝ % in ?); #H;
  86     ncases (ltb_cases m (s (S n'))); *; #H1; #H2; nrewrite > H2;
  87     nwhd in ⊢ (let p ≝ % in ?); nwhd
  88      [ napply conj [napply conj
  89         [ nwhd in ⊢ (????(?(?%(λ_.λ_:(??%).?))%)); nrewrite > (minus_canc n'); napply refl
  90         | nnormalize; napply le_n]
  91       ##| nnormalize; nassumption ]
  92    ##| nchange in H with (m < s (S n') + big_plus (S n') (λi.λ_.s i));
  93        ngeneralize in match (Hrec (m - s (S n')) ?) in ⊢ ?
  94         [##2: napply ad_hoc9; nassumption] *; *; #Hrec1; #Hrec2; #Hrec3; napply conj
  95         [##2: nassumption
  96         |napply conj
  97          [nrewrite > (split_big_plus …); ##[##2:napply ad_hoc11;##|##3:##skip]
  98           nrewrite > (ad_hoc12 …); ##[##2: nassumption]
  99           nwhd in ⊢ (????(?(??%)?));
 100           nrewrite > (ad_hoc13 …);##[##2: nassumption]
 101           napply ad_hoc14 [ napply not_lt_to_le; nassumption ]
 102           nwhd in ⊢ (???(?(??%)?));
 103           nrewrite > (plus_n_O …);
 104           nassumption;
 105         ##| napply le_S; nassumption ]##]##]##]
 106 nqed.
 107
 108 ntheorem iso_nat_nat_union_pre:
 109  ∀n:nat. ∀s: nat → nat.
 110   ∀i1,i2. i1 ≤ n → i2 < s i1 →
 111    big_plus (n - i1) (λi.λ_.s (S (i + i1))) + i2 < big_plus (S n) (λi.λ_.s i).
 112  #n; #s; #i1; #i2; #H1; #H2;
 113  nrewrite > (split_big_plus (S n) (S i1) (λi.λ_.s i) ?)
 114   [##2: napply le_to_le_S_S; nassumption]
 115  napply ad_hoc15
 116   [ nwhd in ⊢ (???(?%?));
 117
 118     napply (eq_rect_CProp0_r nat (n - i1) (λx.λy.?) ?? (minus_S_S …)); STOP
 119
 120     nrewrite > (minus_S_S n i1); napply big_plus_preserves_ext; #i; #_;
 121     nrewrite > (plus_n_S i i1); napply refl
 122   | nrewrite > (split_big_plus (S i1) i1 (λi.λ_.s i) ?) [##2: napply le_S; napply le_n]
 123     napply ad_hoc16; nrewrite > (minus_S i1); nnormalize; nrewrite > (plus_n_O (s i1) …);
 124     nassumption ]
 125 nqed.
 126
 127 ntheorem iso_nat_nat_union_uniq:
 128  ∀n:nat. ∀s: nat → nat.
 129   ∀i1,i1',i2,i2'. i1 ≤ n → i1' ≤ n → i2 < s i1 → i2' < s i1' →
 130    big_plus (n - i1) (λi.λ_.s (S (i + i1))) + i2 = big_plus (n - i1') (λi.λ_.s (S (i + i1'))) + i2' →
 131     i1 = i1' ∧ i2 = i2'.
 132  #n; #s; #i1; #i1'; #i2; #i2'; #H1; #H1'; #H2; #H2'; #E;
 133  nelim daemon.
 134 nqed.
 135
 136 nlemma partition_splits_card:
 137  ∀A. ∀P:partition A. ∀n,s.
 138   ∀f:isomorphism ?? (Nat_ n) (indexes ? P).
 139    (∀i. isomorphism ?? (Nat_ (s i)) (class ? P (iso_f ???? f i))) →
 140     (isomorphism ?? (Nat_ (big_plus n (λi.λ_.s i))) (Full_set A)).
 141  STOP #A; #P; #Sn; ncases Sn
 142   [ #s; #f; #fi;
 143     ngeneralize in match (covers ? P) in ⊢ ?; *; #_; #H;
 144     (*
 145     ngeneralize in match
 146      (big_union_preserves_iso ??? (indexes A P) (Nat_ O) (λx.class ? P x) f) in ⊢ ?;
 147      *; #K; #_; nwhd in K: (? → ? → %);*)
 148     nelim daemon (* impossibile *)
 149   | #n; #s; #f; #fi; napply mk_isomorphism
 150   [ napply mk_unary_morphism
 151      [ napply (λm.let p ≝ iso_nat_nat_union s m n in iso_f ???? (fi (fst … p)) (snd … p))
 152      | #a; #a'; #H; nrewrite < H; napply refl ]
 153 ##| #x; #Hx; nwhd; napply I
 154 ##| #y; #_;
 155     ngeneralize in match (covers ? P) in ⊢ ?; *; #_; #Hc;
 156     ngeneralize in match (Hc y I) in ⊢ ?; *; #index; *; #Hi1; #Hi2;
 157     ngeneralize in match (f_sur ???? f ? Hi1) in ⊢ ?; *; #nindex; *; #Hni1; #Hni2;
 158     ngeneralize in match (f_sur ???? (fi nindex) y ?) in ⊢ ?
 159      [##2: napply (. #‡(†?));##[##3: napply Hni2 |##2: ##skip | nassumption]##]
 160     *; #nindex2; *; #Hni21; #Hni22;
 161     nletin xxx ≝ (plus (big_plus (minus n nindex) (λi.λ_.s (S (plus i nindex)))) nindex2);
 162     napply (ex_intro … xxx); napply conj
 163      [ napply iso_nat_nat_union_pre [ napply le_S_S_to_le; nassumption | nassumption ]
 164    ##| nwhd in ⊢ (???%%); napply (.= ?) [ nassumption|##skip]
 165        ngeneralize in match (iso_nat_nat_union_char n s xxx ?) in ⊢ ?
 166         [##2: napply iso_nat_nat_union_pre [ napply le_S_S_to_le; nassumption | nassumption]##]
 167        *; *; #K1; #K2; #K3;
 168        ngeneralize in match
 169         (iso_nat_nat_union_uniq n s nindex (fst … (iso_nat_nat_union s xxx n))
 170           nindex2 (snd … (iso_nat_nat_union s xxx n)) ?????) in ⊢ ?
 171         [ *; #E1; #E2; nrewrite > E1; nrewrite > E2; napply refl
 172         | napply le_S_S_to_le; nassumption
 173         |##*: nassumption]##]
 174 ##| #x; #x'; nnormalize in ⊢ (? → ? → %); #Hx; #Hx'; #E;
 175     ngeneralize in match (? : ∀i1,i2,i1',i2'. i1 ∈ Nat_ (S n) → i1' ∈ Nat_ (S n) → i2 ∈ pc ? (Nat_ (s i1)) → i2' ∈ pc ? (Nat_ (s i1')) → eq_rel (carr A) (eq A) (iso_f ???? (fi i1) i2) (iso_f ???? (fi i1') i2') → i1=i1' ∧ i2=i2') in ⊢ ?
 176      [##2: #i1; #i2; #i1'; #i2'; #Hi1; #Hi1'; #Hi2; #Hi2'; #E;
 177       ngeneralize in match (disjoint ? P (iso_f ???? f i1) (iso_f ???? f i1') ???) in ⊢ ?
 178        [##2,3: napply f_closed; nassumption
 179        |##4: napply ex_intro [ napply (iso_f ???? (fi i1) i2) ] napply conj
 180          [ napply f_closed; nassumption ##| napply (. ?‡#) [##2: nassumption | ##3: ##skip]
 181          nwhd; napply f_closed; nassumption]##]
 182       #E'; ngeneralize in match (? : i1=i1') in ⊢ ?
 183        [##2: napply (f_inj … E'); nassumption
 184        | #E''; nrewrite < E''; napply conj
 185           [ napply refl | nrewrite < E'' in E; #E'''; napply (f_inj … E''')
 186              [ nassumption | nrewrite > E''; nassumption ]##]##]
 187    ##] #K;
 188     nelim (iso_nat_nat_union_char n s x Hx); *; #i1x; #i2x; #i3x;
 189     nelim (iso_nat_nat_union_char n s x' Hx'); *; #i1x'; #i2x'; #i3x';
 190     ngeneralize in match (K … E) in ⊢ ?
 191      [##2,3: napply le_to_le_S_S; nassumption
 192      |##4,5: nassumption]
 193     *; #K1; #K2;
 194     napply (eq_rect_CProp0_r ?? (λX.λ_.? = X) ?? i1x');
 195     napply (eq_rect_CProp0_r ?? (λX.λ_.X = ?) ?? i1x);
 196     nrewrite > K1; nrewrite > K2; napply refl ]
 197 nqed.
 198
 199 (************** equivalence relations vs partitions **********************)
 200
 201 ndefinition partition_of_compatible_equivalence_relation:
 202  ∀A:setoid. compatible_equivalence_relation A → partition A.
 203  #A; #R; napply mk_partition
 204   [ napply (quotient ? R)
 205   | napply Full_set
 206   | napply mk_unary_morphism1
 207      [ #a; napply mk_qpowerclass
 208         [ napply {x | R x a}
 209         | #x; #x'; #H; nnormalize; napply mk_iff; #K; nelim daemon]
 210    ##| #a; #a'; #H; napply conj; #x; nnormalize; #K [ nelim daemon | nelim daemon]##]
 211 ##| #x; #_; nnormalize; napply (ex_intro … x); napply conj; napply refl
 212   | #x; #x'; #_; #_; nnormalize; *; #x''; *; #H1; #H2; napply (trans ?????? H2);
 213     napply sym; nassumption
 214   | nnormalize; napply conj
 215      [ #a; #_; napply I | #a; #_; napply (ex_intro … a); napply conj [ napply I | napply refl]##]
 216 nqed.