matita/library/algebra/groups.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 set "baseuri" "cic:/matita/algebra/groups/".
  16
  17 include "algebra/monoids.ma".
  18 include "nat/le_arith.ma".
  19 include "datatypes/bool.ma".
  20 include "nat/compare.ma".
  21
  22 record PreGroup : Type ≝
  23  { premonoid:> PreMonoid;
  24    inv: premonoid -> premonoid
  25  }.
  26
  27 record isGroup (G:PreGroup) : Prop ≝
  28  { is_monoid: isMonoid G;
  29    inv_is_left_inverse: is_left_inverse (mk_Monoid ? is_monoid) (inv G);
  30    inv_is_right_inverse: is_right_inverse (mk_Monoid ? is_monoid) (inv G)
  31  }.
  32
  33 record Group : Type ≝
  34  { pregroup:> PreGroup;
  35    group_properties:> isGroup pregroup
  36  }.
  37
  38 (*notation < "G"
  39 for @{ 'monoid $G }.
  40
  41 interpretation "Monoid coercion" 'monoid G =
  42  (cic:/matita/algebra/groups/monoid.con G).*)
  43
  44 notation < "G"
  45 for @{ 'type_of_group $G }.
  46
  47 interpretation "Type_of_group coercion" 'type_of_group G =
  48  (cic:/matita/algebra/groups/Type_of_Group.con G).
  49
  50 notation < "G"
  51 for @{ 'magma_of_group $G }.
  52
  53 interpretation "magma_of_group coercion" 'magma_of_group G =
  54  (cic:/matita/algebra/groups/Magma_of_Group.con G).
  55
  56 notation "hvbox(x \sup (-1))" with precedence 89
  57 for @{ 'ginv $x }.
  58
  59 interpretation "Group inverse" 'ginv x =
  60  (cic:/matita/algebra/groups/inv.con _ x).
  61
  62 definition left_cancellable ≝
  63  λT:Type. λop: T -> T -> T.
  64   ∀x. injective ? ? (op x).
  65
  66 definition right_cancellable ≝
  67  λT:Type. λop: T -> T -> T.
  68   ∀x. injective ? ? (λz.op z x).
  69
  70 theorem eq_op_x_y_op_x_z_to_eq:
  71  ∀G:Group. left_cancellable G (op G).
  72 intros;
  73 unfold left_cancellable;
  74 unfold injective;
  75 intros (x y z);
  76 rewrite < (e_is_left_unit ? (is_monoid ? G));
  77 rewrite < (e_is_left_unit ? (is_monoid ? G) z);
  78 rewrite < (inv_is_left_inverse ? G x);
  79 rewrite > (associative ? (is_semi_group ? (is_monoid ? G)));
  80 rewrite > (associative ? (is_semi_group ? (is_monoid ? G)));
  81 apply eq_f;
  82 assumption.
  83 qed.
  84
  85
  86 theorem eq_op_x_y_op_z_y_to_eq:
  87  ∀G:Group. right_cancellable G (op G).
  88 intros;
  89 unfold right_cancellable;
  90 unfold injective;
  91 simplify;fold simplify (op G);
  92 intros (x y z);
  93 rewrite < (e_is_right_unit ? (is_monoid ? G));
  94 rewrite < (e_is_right_unit ? (is_monoid ? G) z);
  95 rewrite < (inv_is_right_inverse ? G x);
  96 rewrite < (associative ? (is_semi_group ? (is_monoid ? G)));
  97 rewrite < (associative ? (is_semi_group ? (is_monoid ? G)));
  98 rewrite > H;
  99 reflexivity.
 100 qed.
 101
 102 theorem inv_inv: ∀G:Group. ∀x:G. x \sup -1 \sup -1 = x.
 103 intros;
 104 apply (eq_op_x_y_op_z_y_to_eq ? (x \sup -1));
 105 rewrite > (inv_is_right_inverse ? G);
 106 rewrite > (inv_is_left_inverse ? G);
 107 reflexivity.
 108 qed.
 109
 110 theorem eq_opxy_e_to_eq_x_invy:
 111  ∀G:Group. ∀x,y:G. x·y=1 → x=y \sup -1.
 112 intros;
 113 apply (eq_op_x_y_op_z_y_to_eq ? y);
 114 rewrite > (inv_is_left_inverse ? G);
 115 assumption.
 116 qed.
 117
 118 theorem eq_opxy_e_to_eq_invx_y:
 119  ∀G:Group. ∀x,y:G. x·y=1 → x \sup -1=y.
 120 intros;
 121 apply (eq_op_x_y_op_x_z_to_eq ? x);
 122 rewrite > (inv_is_right_inverse ? G);
 123 symmetry;
 124 assumption.
 125 qed.
 126
 127 theorem eq_opxy_z_to_eq_x_opzinvy:
 128  ∀G:Group. ∀x,y,z:G. x·y=z → x = z·y \sup -1.
 129 intros;
 130 apply (eq_op_x_y_op_z_y_to_eq ? y);
 131 rewrite > (associative ? (is_semi_group ? (is_monoid ? G)));
 132 rewrite > (inv_is_left_inverse ? G);
 133 rewrite > (e_is_right_unit ? (is_monoid ? G));
 134 assumption.
 135 qed.
 136
 137 theorem eq_opxy_z_to_eq_y_opinvxz:
 138  ∀G:Group. ∀x,y,z:G. x·y=z → y = x \sup -1·z.
 139 intros;
 140 apply (eq_op_x_y_op_x_z_to_eq ? x);
 141 rewrite < (associative ? (is_semi_group ? (is_monoid ? G)));
 142 rewrite > (inv_is_right_inverse ? G);
 143 rewrite > (e_is_left_unit ? (is_monoid ? G));
 144 assumption.
 145 qed.
 146
 147 (* Morphisms *)
 148
 149 record morphism (G,G':Group) : Type ≝
 150  { image: G → G';
 151    f_morph: ∀x,y:G.image(x·y) = image x · image y
 152  }.
 153
 154 notation "hvbox(f˜ x)" with precedence 79
 155 for @{ 'morimage $f $x }.
 156
 157 interpretation "Morphism image" 'morimage f x =
 158  (cic:/matita/algebra/groups/image.con _ _ f x).
 159
 160 theorem morphism_to_eq_f_1_1:
 161  ∀G,G'.∀f:morphism G G'.f˜1 = 1.
 162 intros;
 163 apply (eq_op_x_y_op_z_y_to_eq G' (f˜1));
 164 rewrite > (e_is_left_unit ? (is_monoid ? G') ?);
 165 rewrite < (f_morph ? ? f);
 166 rewrite > (e_is_left_unit ? (is_monoid ? G));
 167 reflexivity.
 168 qed.
 169
 170 theorem eq_image_inv_inv_image:
 171  ∀G,G'.∀f:morphism G G'.
 172   ∀x.f˜(x \sup -1) = (f˜x) \sup -1.
 173 intros;
 174 apply (eq_op_x_y_op_z_y_to_eq G' (f˜x));
 175 rewrite > (inv_is_left_inverse ? G');
 176 rewrite < (f_morph ? ? f);
 177 rewrite > (inv_is_left_inverse ? G);
 178 apply (morphism_to_eq_f_1_1 ? ? f).
 179 qed.
 180
 181 record monomorphism (G,G':Group) : Type ≝
 182  { morphism: morphism G G';
 183    injective: injective ? ? (image ? ? morphism)
 184  }.
 185
 186 (* Subgroups *)
 187
 188 record subgroup (G:Group) : Type ≝
 189  { group: Group;
 190    embed: monomorphism group G
 191  }.
 192
 193 notation "hvbox(x \sub H)" with precedence 79
 194 for @{ 'subgroupimage $H $x }.
 195
 196 interpretation "Subgroup image" 'subgroupimage H x =
 197  (cic:/matita/algebra/groups/image.con _ _
 198    (cic:/matita/algebra/groups/morphism.con _ _
 199      (cic:/matita/algebra/groups/embed.con _ H))
 200    x).
 201
 202 definition belongs_to_subgroup ≝
 203  λG.λH:subgroup G.λx:G.∃y.x=y \sub H.
 204
 205 notation "hvbox(x ∈ H)" with precedence 79
 206 for @{ 'belongs_to $x $H }.
 207
 208 interpretation "Belongs to subgroup" 'belongs_to x H =
 209  (cic:/matita/algebra/groups/belongs_to_subgroup.con _ H x).
 210
 211 (* Left cosets *)
 212
 213 record left_coset (G:Group) : Type ≝
 214  { element: G;
 215    subgrp: subgroup G
 216  }.
 217
 218 (* Here I would prefer 'magma_op, but this breaks something in the next definition *)
 219 interpretation "Left_coset" 'times x C =
 220  (cic:/matita/algebra/groups/left_coset.ind#xpointer(1/1/1) _ x C).
 221
 222 definition belongs_to_left_coset ≝
 223  λG:Group.λC:left_coset G.λx:G.
 224   ∃y.x=(element ? C)·y \sub (subgrp ? C).
 225
 226 interpretation "Belongs to left_coset" 'belongs_to x C =
 227  (cic:/matita/algebra/groups/belongs_to_left_coset.con _ C x).
 228
 229 definition left_coset_eq ≝
 230  λG.λC,C':left_coset G.
 231   ∀x.((element ? C)·x \sub (subgrp ? C)) ∈ C'.
 232
 233 interpretation "Left cosets equality" 'eq C C' =
 234  (cic:/matita/algebra/groups/left_coset_eq.con _ C C').
 235
 236 definition left_coset_disjoint ≝
 237  λG.λC,C':left_coset G.
 238   ∀x.¬(((element ? C)·x \sub (subgrp ? C)) ∈ C').
 239
 240 notation "hvbox(a break ∥ b)"
 241  non associative with precedence 45
 242 for @{ 'disjoint $a $b }.
 243
 244 interpretation "Left cosets disjoint" 'disjoint C C' =
 245  (cic:/matita/algebra/groups/left_coset_disjoint.con _ C C').
 246
 247 (*
 248 (* The following should be a one-shot alias! *)
 249 alias symbol "belongs_to" (instance 0) = "Belongs to subgroup".
 250 theorem foo:
 251  ∀G.∀x,y:(Type_of_Group G).∀H:subgroup G.
 252   (x \sup -1 ·y) ∈ H → (mk_left_coset ? x H) = (mk_left_coset ? y H).
 253 intros;
 254 unfold left_coset_eq;
 255 simplify in ⊢ (? → ? ? ? (? ? ? (? ? ? (? ? ? (? ? %)) ?)));
 256 simplify in ⊢ (? → ? ? ? (? ? % ?));
 257 simplify in ⊢ (? % → ?);
 258 intros;
 259 unfold belongs_to_left_coset;
 260 simplify in ⊢ (? ? (λy:?.? ? ? (? ? ? (? ? ? (? ? ? (? ? %)) ?))));
 261 simplify in ⊢ (? ? (λy:? %.?));
 262 simplify in ⊢ (? ? (λy:?.? ? ? (? ? % ?)));
 263 unfold belongs_to_subgroup in H1;
 264 elim H1;
 265 clear H1;
 266 exists;
 267 [
 268 |
 269 ].
 270 qed.
 271 *)
 272
 273 (*theorem foo:
 274  \forall G:Group. \forall x1,x2:G. \forall H:subgroup G.
 275   x1*x2^-1 \nin H \to x1*H does_not_overlap x2*H
 276
 277 theorem foo:
 278  \forall x:G. \forall H:subgroup G. x \in x*H
 279
 280 definition disjoinct
 281  (T: Type) (n:nat) (S: \forall x:nat. x < n -> {S:Type * (S -> T)})
 282 :=
 283  \forall i,j:nat. i < n \to j < n \to ...
 284
 285
 286 check
 287  (λG.λH,H':left_coset G.λx:Type_of_Group (group ? (subgrp ? H)). (embed ? (subgrp ? H) x)).
 288
 289 definition left_coset_eq ≝
 290  λG.λH,H':left_coset G.
 291   ∀x:group ? (subgrp ? H).
 292    ex (group ? (subgroup ? H')) (λy.
 293     (element ? H)·(embed ? (subgrp ? H) x) =
 294     (element ? H')·(embed ? (subgrp ? H') y)).
 295
 296 (*record left_coset (G:Group) : Type ≝
 297  { subgroup: Group;
 298    subgroup_is_subgroup: subgroup ≤ G;
 299    element: G
 300  }.
 301
 302 definition left_coset_eq ≝
 303  λG.λH,H':left_coset G.
 304   ∀x:subgroup ? H.
 305    ex (subgroup ? H') (λy.
 306     (element ? H)·(embed ? ? (subgroup_is_subgroup ? H) ˜ x) =
 307     (element ? H')·(embed ? ? (subgroup_is_subgroup ? H') ˜ y)).
 308 *)
 309 *)