matita/library/nat/div_and_mod.ma

   1 (**************************************************************************)
   2 (*       ___                                                              *)
   3 (*      ||M||                                                             *)
   4 (*      ||A||       A project by Andrea Asperti                           *)
   5 (*      ||T||                                                             *)
   6 (*      ||I||       Developers:                                           *)
   7 (*      ||T||       A.Asperti, C.Sacerdoti Coen,                          *)
   8 (*      ||A||       E.Tassi, S.Zacchiroli                                 *)
   9 (*      \   /                                                             *)
  10 (*       \ /        Matita is distributed under the terms of the          *)
  11 (*        v         GNU Lesser General Public License Version 2.1         *)
  12 (*                                                                        *)
  13 (**************************************************************************)
  14
  15 set "baseuri" "cic:/matita/nat/div_and_mod".
  16
  17 include "datatypes/constructors.ma".
  18 include "nat/minus.ma".
  19
  20 let rec mod_aux p m n: nat \def
  21 match (leb m n) with
  22 [ true \Rightarrow m
  23 | false \Rightarrow
  24   match p with
  25   [O \Rightarrow m
  26   |(S q) \Rightarrow mod_aux q (m-(S n)) n]].
  27
  28 definition mod : nat \to nat \to nat \def
  29 \lambda n,m.
  30 match m with
  31 [O \Rightarrow n
  32 | (S p) \Rightarrow mod_aux n n p].
  33
  34 interpretation "natural remainder" 'module x y =
  35   (cic:/matita/nat/div_and_mod/mod.con x y).
  36
  37 let rec div_aux p m n : nat \def
  38 match (leb m n) with
  39 [ true \Rightarrow O
  40 | false \Rightarrow
  41   match p with
  42   [O \Rightarrow O
  43   |(S q) \Rightarrow S (div_aux q (m-(S n)) n)]].
  44
  45 definition div : nat \to nat \to nat \def
  46 \lambda n,m.
  47 match m with
  48 [O \Rightarrow S n
  49 | (S p) \Rightarrow div_aux n n p].
  50
  51 interpretation "natural divide" 'divide x y =
  52   (cic:/matita/nat/div_and_mod/div.con x y).
  53
  54 theorem le_mod_aux_m_m:
  55 \forall p,n,m. n \leq p \to (mod_aux p n m) \leq m.
  56 intro.elim p.
  57 apply (le_n_O_elim n H (\lambda n.(mod_aux O n m) \leq m)).
  58 simplify.apply le_O_n.
  59 simplify.
  60 apply (leb_elim n1 m).
  61 simplify.intro.assumption.
  62 simplify.intro.apply H.
  63 cut (n1 \leq (S n) \to n1-(S m) \leq n).
  64 apply Hcut.assumption.
  65 elim n1.
  66 simplify.apply le_O_n.
  67 simplify.apply (trans_le ? n2 n).
  68 apply le_minus_m.apply le_S_S_to_le.assumption.
  69 qed.
  70
  71 theorem lt_mod_m_m: \forall n,m. O < m \to (n \mod m) < m.
  72 intros 2.elim m.apply False_ind.
  73 apply (not_le_Sn_O O H).
  74 simplify.unfold lt.apply le_S_S.apply le_mod_aux_m_m.
  75 apply le_n.
  76 qed.
  77
  78 theorem div_aux_mod_aux: \forall p,n,m:nat.
  79 (n=(div_aux p n m)*(S m) + (mod_aux p n m)).
  80 intro.elim p.
  81 simplify.elim (leb n m).
  82 simplify.apply refl_eq.
  83 simplify.apply refl_eq.
  84 simplify.
  85 apply (leb_elim n1 m).
  86 simplify.intro.apply refl_eq.
  87 simplify.intro.
  88 rewrite > assoc_plus.
  89 elim (H (n1-(S m)) m).
  90 change with (n1=(S m)+(n1-(S m))).
  91 rewrite < sym_plus.
  92 apply plus_minus_m_m.
  93 change with (m < n1).
  94 apply not_le_to_lt.exact H1.
  95 qed.
  96
  97 theorem div_mod: \forall n,m:nat. O < m \to n=(n / m)*m+(n \mod m).
  98 intros 2.elim m.elim (not_le_Sn_O O H).
  99 simplify.
 100 apply div_aux_mod_aux.
 101 qed.
 102
 103 inductive div_mod_spec (n,m,q,r:nat) : Prop \def
 104 div_mod_spec_intro: r < m \to n=q*m+r \to (div_mod_spec n m q r).
 105
 106 (*
 107 definition div_mod_spec : nat \to nat \to nat \to nat \to Prop \def
 108 \lambda n,m,q,r:nat.r < m \land n=q*m+r).
 109 *)
 110
 111 theorem div_mod_spec_to_not_eq_O: \forall n,m,q,r.(div_mod_spec n m q r) \to m \neq O.
 112 intros 4.unfold Not.intros.elim H.absurd (le (S r) O).
 113 rewrite < H1.assumption.
 114 exact (not_le_Sn_O r).
 115 qed.
 116
 117 theorem div_mod_spec_div_mod:
 118 \forall n,m. O < m \to (div_mod_spec n m (n / m) (n \mod m)).
 119 intros.
 120 apply div_mod_spec_intro.
 121 apply lt_mod_m_m.assumption.
 122 apply div_mod.assumption.
 123 qed.
 124
 125 theorem div_mod_spec_to_eq :\forall a,b,q,r,q1,r1.
 126 (div_mod_spec a b q r) \to (div_mod_spec a b q1 r1) \to
 127 (eq nat q q1).
 128 intros.elim H.elim H1.
 129 apply (nat_compare_elim q q1).intro.
 130 apply False_ind.
 131 cut (eq nat ((q1-q)*b+r1) r).
 132 cut (b \leq (q1-q)*b+r1).
 133 cut (b \leq r).
 134 apply (lt_to_not_le r b H2 Hcut2).
 135 elim Hcut.assumption.
 136 apply (trans_le ? ((q1-q)*b)).
 137 apply le_times_n.
 138 apply le_SO_minus.exact H6.
 139 rewrite < sym_plus.
 140 apply le_plus_n.
 141 rewrite < sym_times.
 142 rewrite > distr_times_minus.
 143 rewrite > plus_minus.
 144 rewrite > sym_times.
 145 rewrite < H5.
 146 rewrite < sym_times.
 147 apply plus_to_minus.
 148 apply H3.
 149 apply le_times_r.
 150 apply lt_to_le.
 151 apply H6.
 152 (* eq case *)
 153 intros.assumption.
 154 (* the following case is symmetric *)
 155 intro.
 156 apply False_ind.
 157 cut (eq nat ((q-q1)*b+r) r1).
 158 cut (b \leq (q-q1)*b+r).
 159 cut (b \leq r1).
 160 apply (lt_to_not_le r1 b H4 Hcut2).
 161 elim Hcut.assumption.
 162 apply (trans_le ? ((q-q1)*b)).
 163 apply le_times_n.
 164 apply le_SO_minus.exact H6.
 165 rewrite < sym_plus.
 166 apply le_plus_n.
 167 rewrite < sym_times.
 168 rewrite > distr_times_minus.
 169 rewrite > plus_minus.
 170 rewrite > sym_times.
 171 rewrite < H3.
 172 rewrite < sym_times.
 173 apply plus_to_minus.
 174 apply H5.
 175 apply le_times_r.
 176 apply lt_to_le.
 177 apply H6.
 178 qed.
 179
 180 theorem div_mod_spec_to_eq2 :\forall a,b,q,r,q1,r1.
 181 (div_mod_spec a b q r) \to (div_mod_spec a b q1 r1) \to
 182 (eq nat r r1).
 183 intros.elim H.elim H1.
 184 apply (inj_plus_r (q*b)).
 185 rewrite < H3.
 186 rewrite > (div_mod_spec_to_eq a b q r q1 r1 H H1).
 187 assumption.
 188 qed.
 189
 190 theorem div_mod_spec_times : \forall n,m:nat.div_mod_spec ((S n)*m) (S n) m O.
 191 intros.constructor 1.
 192 unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.
 193 rewrite < plus_n_O.rewrite < sym_times.reflexivity.
 194 qed.
 195
 196 (* some properties of div and mod *)
 197 theorem div_times: \forall n,m:nat. ((S n)*m) / (S n) = m.
 198 intros.
 199 apply (div_mod_spec_to_eq ((S n)*m) (S n) ? ? ? O).
 200 goal 15. (* ?11 is closed with the following tactics *)
 201 apply div_mod_spec_div_mod.
 202 unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.
 203 apply div_mod_spec_times.
 204 qed.
 205
 206 theorem div_n_n: \forall n:nat. O < n \to n / n = S O.
 207 intros.
 208 apply (div_mod_spec_to_eq n n (n / n) (n \mod n) (S O) O).
 209 apply div_mod_spec_div_mod.assumption.
 210 constructor 1.assumption.
 211 rewrite < plus_n_O.simplify.rewrite < plus_n_O.reflexivity.
 212 qed.
 213
 214 theorem eq_div_O: \forall n,m. n < m \to n / m = O.
 215 intros.
 216 apply (div_mod_spec_to_eq n m (n/m) (n \mod m) O n).
 217 apply div_mod_spec_div_mod.
 218 apply (le_to_lt_to_lt O n m).
 219 apply le_O_n.assumption.
 220 constructor 1.assumption.reflexivity.
 221 qed.
 222
 223 theorem mod_n_n: \forall n:nat. O < n \to n \mod n = O.
 224 intros.
 225 apply (div_mod_spec_to_eq2 n n (n / n) (n \mod n) (S O) O).
 226 apply div_mod_spec_div_mod.assumption.
 227 constructor 1.assumption.
 228 rewrite < plus_n_O.simplify.rewrite < plus_n_O.reflexivity.
 229 qed.
 230
 231 theorem mod_S: \forall n,m:nat. O < m \to S (n \mod m) < m \to
 232 ((S n) \mod m) = S (n \mod m).
 233 intros.
 234 apply (div_mod_spec_to_eq2 (S n) m ((S n) / m) ((S n) \mod m) (n / m) (S (n \mod m))).
 235 apply div_mod_spec_div_mod.assumption.
 236 constructor 1.assumption.rewrite < plus_n_Sm.
 237 apply eq_f.
 238 apply div_mod.
 239 assumption.
 240 qed.
 241
 242 theorem mod_O_n: \forall n:nat.O \mod n = O.
 243 intro.elim n.simplify.reflexivity.
 244 simplify.reflexivity.
 245 qed.
 246
 247 theorem lt_to_eq_mod:\forall n,m:nat. n < m \to n \mod m = n.
 248 intros.
 249 apply (div_mod_spec_to_eq2 n m (n/m) (n \mod m) O n).
 250 apply div_mod_spec_div_mod.
 251 apply (le_to_lt_to_lt O n m).apply le_O_n.assumption.
 252 constructor 1.
 253 assumption.reflexivity.
 254 qed.
 255
 256 (* injectivity *)
 257 theorem injective_times_r: \forall n:nat.injective nat nat (\lambda m:nat.(S n)*m).
 258 change with (\forall n,p,q:nat.(S n)*p = (S n)*q \to p=q).
 259 intros.
 260 rewrite < (div_times n).
 261 rewrite < (div_times n q).
 262 apply eq_f2.assumption.
 263 reflexivity.
 264 qed.
 265
 266 variant inj_times_r : \forall n,p,q:nat.(S n)*p = (S n)*q \to p=q \def
 267 injective_times_r.
 268
 269 theorem lt_O_to_injective_times_r: \forall n:nat. O < n \to injective nat nat (\lambda m:nat.n*m).
 270 simplify.
 271 intros 4.
 272 apply (lt_O_n_elim n H).intros.
 273 apply (inj_times_r m).assumption.
 274 qed.
 275
 276 variant inj_times_r1:\forall n. O < n \to \forall p,q:nat.n*p = n*q \to p=q
 277 \def lt_O_to_injective_times_r.
 278
 279 theorem injective_times_l: \forall n:nat.injective nat nat (\lambda m:nat.m*(S n)).
 280 simplify.
 281 intros.
 282 apply (inj_times_r n x y).
 283 rewrite < sym_times.
 284 rewrite < (sym_times y).
 285 assumption.
 286 qed.
 287
 288 variant inj_times_l : \forall n,p,q:nat. p*(S n) = q*(S n) \to p=q \def
 289 injective_times_l.
 290
 291 theorem lt_O_to_injective_times_l: \forall n:nat. O < n \to injective nat nat (\lambda m:nat.m*n).
 292 simplify.
 293 intros 4.
 294 apply (lt_O_n_elim n H).intros.
 295 apply (inj_times_l m).assumption.
 296 qed.
 297
 298 variant inj_times_l1:\forall n. O < n \to \forall p,q:nat.p*n = q*n \to p=q
 299 \def lt_O_to_injective_times_l.
 300
 301 (* n_divides computes the pair (div,mod) *)
 302
 303 (* p is just an upper bound, acc is an accumulator *)
 304 let rec n_divides_aux p n m acc \def
 305   match n \mod m with
 306   [ O \Rightarrow
 307     match p with
 308       [ O \Rightarrow pair nat nat acc n
 309       | (S p) \Rightarrow n_divides_aux p (n / m) m (S acc)]
 310   | (S a) \Rightarrow pair nat nat acc n].
 311
 312 (* n_divides n m = <q,r> if m divides n q times, with remainder r *)
 313 definition n_divides \def \lambda n,m:nat.n_divides_aux n n m O.