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the proof of bertrand's conjecture is now complete
[helm.git] / helm / software / matita / library / nat / bertrand.ma
index f014b0eccc15ba92cc7b5170fb617fa6496c41e2..bb4fde4973ac9e7f1f3e67472c366c81095f0b11 100644 (file)
 include "nat/sqrt.ma".
 include "nat/chebyshev_teta.ma".
 include "nat/chebyshev.ma".
+include "list/list.ma".
+include "nat/o.ma".
+
+let rec list_divides l n \def
+  match l with
+  [ nil ⇒ false
+  | cons (m:nat) (tl:list nat) ⇒ orb (divides_b m n) (list_divides tl n) ].
+
+definition lprim : nat \to list nat \def
+  \lambda n.let rec aux m acc \def
+     match m with 
+     [ O => acc
+     | S m1 => match (list_divides acc (n-m1)) with
+       [ true => aux m1 acc
+       | false => aux m1 (n-m1::acc)]]
+  in aux (pred n) [].
+  
+let rec filter A l p on l \def
+    match l with
+    [ nil => nil A
+    | cons (a:A) (tl:list A) => match (p a) with
+      [ true => a::(filter A tl p)
+      | false => filter A tl p ]].      
+
+let rec length A (l:list A) on l \def
+  match l with
+  [ nil => O
+  | cons (a:A) (tl:list A) => S (length A tl) ].
+
+let rec list_n_aux n k \def
+    match n with
+    [ O => nil nat
+    | S n1 => k::list_n_aux n1 (S k) ].
+
+definition list_n : nat \to list nat \def
+  \lambda n.list_n_aux (pred n) 2.
+
+let rec sieve_aux l1 l2 t on t \def
+  match t with
+  [ O => l1
+  | S t1 => match l2 with
+    [ nil => l1
+    | cons n tl => sieve_aux (n::l1) (filter nat tl (\lambda x.notb (divides_b n x))) t1]].
+
+definition sieve : nat \to list nat \def
+  \lambda m.sieve_aux [] (list_n m) m.
+
+definition ord_list \def
+   \lambda l.
+   \forall a,b,l1,l2.l = l1@(a::b::l2) \to b \leq a.
+   
+definition in_list \def
+   \lambda A.\lambda a:A.\lambda l:list A.
+   \exists l1,l2.l = l1@(a::l2).
+
+lemma in_list_filter_to_p_true : \forall l,x,p.in_list nat x (filter nat l p) \to p x = true.
+intros;elim H;elim H1;clear H H1;generalize in match H2;generalize in match a;elim l 0
+  [simplify;intro;elim l1
+     [simplify in H;destruct H
+     |simplify in H1;destruct H1]
+  |intros;simplify in H1;apply (bool_elim ? (p t));intro;
+   rewrite > H3 in H1;simplify in H1
+     [generalize in match H1;elim l2
+        [simplify in H4;destruct H4;assumption
+        |simplify in H5;destruct H5;apply (H l3);assumption]
+     |apply (H l2);assumption]]
+qed.
+
+lemma in_list_cons : \forall l,x,y.in_list nat x l \to in_list nat x (y::l).
+intros;unfold in H;unfold;elim H;elim H1;apply (ex_intro ? ? (y::a));
+apply (ex_intro ? ? a1);simplify;rewrite < H2;reflexivity.
+qed.
+
+lemma in_list_tail : \forall l,x,y.in_list nat x (y::l) \to x \neq y \to in_list nat x l.
+intros;elim H;elim H2;generalize in match H3;elim a
+  [simplify in H4;destruct H4;elim H1;reflexivity
+  |simplify in H5;destruct H5;apply (ex_intro ? ? l1);apply (ex_intro ? ? a1);
+   reflexivity]
+qed.
+  
+lemma in_list_filter : \forall l,p,x.in_list nat x (filter nat l p) \to in_list nat x l.
+intros;elim H;elim H1;generalize in match H2;generalize in match a;elim l 0
+  [simplify;intro;elim l1
+     [simplify in H3;destruct H3
+     |simplify in H4;destruct H4]
+  |intros;simplify in H4;apply (bool_elim ? (p t));intro
+     [rewrite > H5 in H4;simplify in H4;generalize in match H4;elim l2
+        [simplify in H6;destruct H6;apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? l1);
+         simplify;reflexivity
+        |simplify in H7;destruct H7;apply in_list_cons;apply (H3 ? Hcut1);]
+     |rewrite > H5 in H4;simplify in H4;apply in_list_cons;apply (H3 ? H4);]]
+qed.
+
+lemma in_list_filter_r : \forall l,p,x.in_list nat x l \to p x = true \to in_list nat x (filter nat l p).
+intros;elim H;elim H2;rewrite > H3;elim a
+  [simplify;rewrite > H1;simplify;apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? (filter nat a1 p));
+   reflexivity
+  |simplify;elim (p t);simplify
+     [apply in_list_cons;assumption
+     |assumption]]
+qed.
+   
+lemma in_list_head : \forall x,l.in_list nat x (x::l).
+intros;apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? l);reflexivity;
+qed.
+
+lemma in_list_cons_case : \forall A,x,a,l.in_list A x (a::l) \to
+                          x = a \lor in_list A x l.
+intros;elim H;elim H1;clear H H1;generalize in match H2;elim a1
+  [simplify in H;destruct H;left;reflexivity
+  |simplify in H1;destruct H1;right;
+   apply (ex_intro ? ? l1);
+   apply (ex_intro ? ? a2);
+   reflexivity]
+qed.
+                          
+lemma divides_to_prime_divides : \forall n,m.1 < m \to m < n \to m \divides n \to
+ \exists p.p \leq m \land prime p \land p \divides n.
+intros;apply (ex_intro ? ? (nth_prime (max_prime_factor m)));split
+  [split
+     [apply divides_to_le
+        [apply lt_to_le;assumption
+        |apply divides_max_prime_factor_n;assumption]
+     |apply prime_nth_prime;]
+  |apply (transitive_divides ? ? ? ? H2);apply divides_max_prime_factor_n;
+   assumption]
+qed.
+
+
+lemma le_length_filter : \forall A,l,p.length A (filter A l p) \leq length A l.
+intros;elim l
+  [simplify;apply le_n
+  |simplify;apply (bool_elim ? (p t));intro
+     [simplify;apply le_S_S;assumption
+     |simplify;apply le_S;assumption]]
+qed.
+
+inductive sorted (P:nat \to nat \to Prop): list nat \to Prop \def
+| sort_nil : sorted P []
+| sort_cons : \forall x,l.sorted P l \to (\forall y.in_list ? y l \to P x y)
+              \to sorted P (x::l).
+              
+definition sorted_lt : list nat \to Prop \def \lambda l.sorted lt l.
+
+definition sorted_gt : list nat \to Prop \def \lambda l.sorted gt l.
+              
+lemma sorted_cons_to_sorted : \forall P,x,l.sorted P (x::l) \to sorted P l.
+intros;inversion H;intros
+  [destruct H1
+  |destruct H4;assumption]
+qed.
+
+lemma sorted_to_minimum : \forall P,x,l.sorted P (x::l) \to 
+                          \forall y.in_list ? y l \to P x y.
+intros;inversion H;intros;
+  [destruct H2
+  |destruct H5;apply H4;assumption]
+qed.
+
+lemma not_in_list_nil : \forall A,a.\lnot in_list A a [].
+intros;intro;elim H;elim H1;generalize in match H2;elim a1
+  [simplify in H3;destruct H3
+  |simplify in H4;destruct H4]
+qed.
+
+lemma sieve_prime : \forall t,k,l2,l1.
+  (\forall p.(in_list ? p l1 \to prime p \land p \leq k \land \forall x.in_list ? x l2 \to p < x) \land
+             (prime p \to p \leq k \to (\forall x.in_list ? x l2 \to p < x) \to in_list ? p l1)) \to
+  (\forall x.(in_list ? x l2 \to 2 \leq x \land x \leq k \land \forall p.in_list ? p l1 \to \lnot p \divides x) \land
+             (2 \leq x \to x \leq k \to (\forall p.in_list ? p l1 \to \lnot p \divides x) \to
+              in_list ? x l2)) \to
+  length ? l2 \leq t \to
+  sorted_gt l1 \to
+  sorted_lt l2 \to
+  sorted_gt (sieve_aux l1 l2 t) \land
+  \forall p.(in_list ? p (sieve_aux l1 l2 t) \to prime p \land p \leq k) \land
+            (prime p \to p \leq k \to in_list ? p (sieve_aux l1 l2 t)).
+intro.elim t 0
+  [intros;cut (l2 = [])
+     [|generalize in match H2;elim l2
+        [reflexivity
+        |simplify in H6;elim (not_le_Sn_O ? H6)]]
+   simplify;split
+     [assumption
+     |intro;elim (H p);split;intros
+        [elim (H5 H7);assumption
+        |apply (H6 H7 H8);rewrite > Hcut;intros;elim (not_in_list_nil ? ? H9)]]
+  |intros 4;elim l2
+     [simplify;split;
+        [assumption
+        |intro;elim (H1 p);split;intros
+           [elim (H6 H8);assumption
+           |apply (H7 H8 H9);intros;elim (not_in_list_nil ? ? H10)]]
+     |simplify;elim (H k (filter ? l (\lambda x.notb (divides_b t1 x))) (t1::l1))
+        [split;
+           [assumption
+           |intro;apply H8;]
+        |split;intros
+           [elim (in_list_cons_case ? ? ? ? H7);
+              [rewrite > H8;split
+                 [split
+                    [unfold;intros;split
+                       [elim (H3 t1);elim H9
+                          [elim H11;assumption
+                          |apply in_list_head]
+                       |intros;elim (le_to_or_lt_eq ? ? (divides_to_le ? ? ? H9))
+                          [elim (divides_to_prime_divides ? ? H10 H11 H9);elim H12;
+                           elim H13;clear H13 H12;elim (H3 t1);elim H12
+                             [clear H13 H12;elim (H18 ? ? H14);elim (H2 a);
+                              apply H13
+                                [assumption
+                                |elim H17;apply (trans_le ? ? ? ? H20);
+                                 apply (trans_le ? ? ? H15);
+                                 apply lt_to_le;assumption
+                                |intros;apply (trans_le ? (S m))
+                                   [apply le_S_S;assumption
+                                   |apply (trans_le ? ? ? H11);
+                                    elim (in_list_cons_case ? ? ? ? H19)
+                                      [rewrite > H20;apply le_n
+                                      |apply lt_to_le;apply (sorted_to_minimum ? ? ? H6);assumption]]]
+                             |unfold;apply (ex_intro ? ? []);
+                              apply (ex_intro ? ? l);
+                              reflexivity]
+                          |elim (H3 t1);elim H11
+                             [elim H13;apply lt_to_le;assumption
+                             |apply in_list_head]
+                          |assumption]]
+                    |elim (H3 t1);elim H9
+                       [elim H11;assumption
+                       |apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? l);reflexivity]]
+                 |intros;elim (le_to_or_lt_eq t1 x)
+                    [assumption
+                    |rewrite > H10 in H9;lapply (in_list_filter_to_p_true ? ? ? H9);
+                     lapply (divides_n_n x);
+                     rewrite > (divides_to_divides_b_true ? ? ? Hletin1) in Hletin
+                       [simplify in Hletin;destruct Hletin
+                       |rewrite < H10;elim (H3 t1);elim H11
+                          [elim H13;apply lt_to_le;assumption
+                          |apply in_list_head]]
+                    |apply lt_to_le;apply (sorted_to_minimum ? ? ? H6);apply (in_list_filter ? ? ? H9)]]
+                 |elim (H2 p);elim (H9 H8);split
+                    [assumption
+                    |intros;apply H12;apply in_list_cons;apply (in_list_filter ? ? ? H13)]]
+           |elim (decidable_eq_nat p t1)
+              [rewrite > H10;apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? l1);
+               reflexivity
+              |apply in_list_cons;elim (H2 p);apply (H12 H7 H8);intros;
+               apply (trans_le ? t1)
+                 [elim (decidable_lt p t1)
+                    [assumption
+                    |lapply (not_lt_to_le ? ? H14);
+                     lapply (decidable_divides t1 p)
+                       [elim Hletin1
+                          [elim H7;lapply (H17 ? H15)
+                             [elim H10;symmetry;assumption
+                             |elim (H3 t1);elim H18
+                                [elim H20;assumption
+                                |apply in_list_head]]
+                          |elim (Not_lt_n_n p);apply H9;apply in_list_filter_r
+                             [elim (H3 p);apply (in_list_tail ? ? t1)
+                                [apply H17
+                                   [apply prime_to_lt_SO;assumption
+                                   |assumption
+                                   |intros;elim H7;intro;lapply (H20 ? H21)
+                                      [rewrite > Hletin2 in H18;elim (H11 H18);
+                                       lapply (H23 t1)
+                                         [elim (lt_to_not_le ? ? Hletin3 Hletin)
+                                         |apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? l);
+                                          reflexivity]
+                                      |apply prime_to_lt_SO;elim (H2 p1);elim (H22 H18);
+                                       elim H24;assumption]]
+                                |unfold;intro;apply H15;rewrite > H18;apply divides_n_n]
+                             |rewrite > (not_divides_to_divides_b_false ? ? ? H15);
+                                [reflexivity
+                                |elim (H3 t1);elim H16
+                                   [elim H18;apply lt_to_le;assumption
+                                   |apply in_list_head]]]]
+                       |elim (H3 t1);elim H15
+                          [elim H17;apply lt_to_le;assumption
+                          |apply in_list_head]]]
+                 |elim (in_list_cons_case ? ? ? ? H13)
+                    [rewrite > H14;apply le_n
+                    |apply lt_to_le;apply (sorted_to_minimum ? ? ? H6);assumption]]]]
+         |elim (H3 x);split;intros;
+            [split 
+               [elim H7
+                  [assumption
+                  |apply in_list_cons;apply (in_list_filter ? ? ? H9)]
+               |intros;elim (in_list_cons_case ? ? ? ? H10)
+                  [rewrite > H11;intro;lapply (in_list_filter_to_p_true ? ? ? H9);
+                   rewrite > (divides_to_divides_b_true ? ? ? H12) in Hletin
+                     [simplify in Hletin;destruct Hletin
+                     |elim (H3 t1);elim H13
+                        [elim H15;apply lt_to_le;assumption
+                        |apply in_list_head]]
+                  |elim H7
+                     [apply H13;assumption
+                     |apply in_list_cons;apply (in_list_filter ? ? ? H9)]]]
+            |elim (in_list_cons_case ? ? ? ? (H8 ? ? ?))
+               [elim (H11 x)
+                  [rewrite > H12;apply in_list_head
+                  |apply divides_n_n]
+               |assumption
+               |assumption
+               |intros;apply H11;apply in_list_cons;assumption
+               |apply in_list_filter_r;
+                  [assumption
+                  |lapply (H11 t1)
+                     [rewrite > (not_divides_to_divides_b_false ? ? ? Hletin);
+                        [reflexivity
+                        |elim (H3 t1);elim H13
+                           [elim H15;apply lt_to_le;assumption
+                           |apply in_list_head]]
+                     |apply in_list_head]]]]
+         |apply (trans_le ? ? ? (le_length_filter ? ? ?));apply le_S_S_to_le;
+          apply H4
+         |apply sort_cons
+            [assumption
+            |intros;unfold;elim (H2 y);elim (H8 H7);
+             apply H11;apply in_list_head]
+         |generalize in match (sorted_cons_to_sorted ? ? ? H6);elim l
+            [simplify;assumption
+            |simplify;elim (notb (divides_b t1 t2));simplify
+               [lapply (sorted_cons_to_sorted ? ? ? H8);lapply (H7 Hletin);
+                apply (sort_cons ? ? ? Hletin1);intros;
+                apply (sorted_to_minimum ? ? ? H8);apply (in_list_filter ? ? ? H9);
+               |apply H7;apply (sorted_cons_to_sorted ? ? ? H8)]]]]]
+qed.
+
+lemma in_list_singleton_to_eq : \forall A,x,y.in_list A x [y] \to x = y.
+intros;elim H;elim H1;generalize in match H2;elim a
+  [simplify in H3;destruct H3;reflexivity
+  |simplify in H4;destruct H4;generalize in match Hcut1;elim l
+     [simplify in H4;destruct H4
+     |simplify in H5;destruct H5]]
+qed.
+
+lemma le_list_n_aux_k_k : \forall n,m,k.in_list ? n (list_n_aux m k) \to
+                          k \leq n.
+intros 2;elim m
+  [simplify in H;elim (not_in_list_nil ? ? H)
+  |simplify in H1;elim H1;elim H2;generalize in match H3;elim a
+     [simplify in H4;destruct H4;apply le_n
+     |simplify in H5;destruct H5;apply lt_to_le;apply (H (S k));
+      apply (ex_intro ? ? l);apply (ex_intro ? ? a1);assumption]]
+qed.
+
+lemma in_list_SSO_list_n : \forall n.2 \leq n \to in_list ? 2 (list_n n).
+intros;elim H
+  [simplify;apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? []);
+   simplify;reflexivity
+  |generalize in match H2;elim H1
+     [simplify;apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? [3]);simplify;reflexivity
+     |simplify;apply (ex_intro ? ? []);apply (ex_intro ? ? (list_n_aux n2 3));
+      simplify;reflexivity]]
+qed.
+
+lemma le_SSO_list_n : \forall m,n.in_list nat n (list_n m) \to 2 \leq n.
+intros;unfold list_n in H;apply (le_list_n_aux_k_k ? ? ? H);
+qed.
+
+lemma le_list_n_aux : \forall n,m,k.in_list ? n (list_n_aux m k) \to n \leq k+m-1.
+intros 2;elim m
+  [simplify in H;elim (not_in_list_nil ? ? H)
+  |simplify in H1;elim H1;elim H2;generalize in match H3;elim a
+     [simplify in H4;destruct H4;rewrite < plus_n_Sm;simplify;rewrite < minus_n_O;
+      rewrite > plus_n_O in \vdash (? % ?);apply le_plus_r;apply le_O_n
+     |simplify in H5;destruct H5;rewrite < plus_n_Sm;apply (H (S k));
+      apply (ex_intro ? ? l);apply (ex_intro ? ? a1);assumption]]
+qed.
+
+lemma le_list_n : \forall n,m.in_list ? n (list_n m) \to n \leq m.
+intros;unfold list_n in H;lapply (le_list_n_aux ? ? ? H);
+simplify in Hletin;generalize in match H;generalize in match Hletin;elim m
+   [simplify in H2;elim (not_in_list_nil ? ? H2)
+   |simplify in H2;assumption]
+qed.
+
+
+lemma le_list_n_aux_r : \forall n,m.O < m \to \forall k.k \leq n \to n \leq k+m-1 \to in_list ? n (list_n_aux m k).
+intros 3;elim H 0
+  [intros;simplify;rewrite < plus_n_Sm in H2;simplify in H2;
+   rewrite < plus_n_O in H2;rewrite < minus_n_O in H2;
+   rewrite > (antisymmetric_le k n H1 H2);apply in_list_head
+  |intros 5;simplify;generalize in match H2;elim H3
+     [apply in_list_head
+     |apply in_list_cons;apply H6
+        [apply le_S_S;assumption
+        |rewrite < plus_n_Sm in H7;apply H7]]]
+qed.
+
+lemma le_list_n_r : \forall n,m.S O < m \to 2 \leq n \to n \leq m \to in_list ? n (list_n m).
+intros;unfold list_n;apply le_list_n_aux_r
+  [elim H;simplify
+     [apply lt_O_S
+     |generalize in match H4;elim H3;
+        [apply lt_O_S
+        |simplify in H7;apply le_S;assumption]]
+  |assumption
+  |simplify;generalize in match H2;elim H;simplify;assumption]
+qed.  
+
+lemma le_length_list_n : \forall n. length ? (list_n n) \leq n.
+intro;cut (\forall n,k.length ? (list_n_aux n k) \leq (S n))
+  [elim n;simplify
+     [apply le_n
+     |apply Hcut]
+  |intro;elim n1;simplify
+     [apply le_O_n
+     |apply le_S_S;apply H]]
+qed.
+
+lemma sorted_list_n_aux : \forall n,k.sorted_lt (list_n_aux n k).
+intro.elim n 0
+  [simplify;intro;apply sort_nil
+  |intro;simplify;intros 2;apply sort_cons
+     [apply H
+     |intros;lapply (le_list_n_aux_k_k ? ? ? H1);assumption]]
+qed.
+
+lemma sieve_sound1 : \forall n.2 \leq n \to
+                               sorted_gt (sieve n) \land
+                               (\forall p.in_list ? p (sieve n) \to
+                               prime p \land p \leq n).
+intros;elim (sieve_prime n n (list_n n) [])
+  [split
+     [assumption
+     |intro;unfold sieve in H3;elim (H2 p);elim (H3 H5);split;assumption]
+  |split;intros
+     [elim (not_in_list_nil ? ? H1)
+     |lapply (lt_to_not_le ? ? (H3 2 ?))
+        [apply in_list_SSO_list_n;assumption
+        |elim Hletin;apply prime_to_lt_SO;assumption]]
+  |split;intros
+     [split
+        [split
+           [apply (le_SSO_list_n ? ? H1)
+           |apply (le_list_n ? ? H1)]
+        |intros;elim (not_in_list_nil ? ? H2)]
+     |apply le_list_n_r;assumption]
+  |apply le_length_list_n
+  |apply sort_nil
+  |elim n;simplify
+     [apply sort_nil
+     |elim n1;simplify
+        [apply sort_nil
+        |simplify;apply sort_cons
+           [apply sorted_list_n_aux
+           |intros;lapply (le_list_n_aux_k_k ? ? ? H3);
+            assumption]]]]
+qed.
+
+lemma sieve_sorted : \forall n.sorted_gt (sieve n).
+intros;elim (decidable_le 2 n)
+  [elim (sieve_sound1 ? H);assumption
+  |generalize in match (le_S_S_to_le ? ? (not_le_to_lt ? ? H));cases n
+     [intro;apply sort_nil
+     |intros;lapply (le_S_S_to_le ? ? H1);rewrite < (le_n_O_to_eq ? Hletin);
+      apply sort_nil]]
+qed.
+
+lemma in_list_sieve_to_prime : \forall n,p.2 \leq n \to in_list ? p (sieve n) \to
+                               prime p.
+intros;elim (sieve_sound1 ? H);elim (H3 ? H1);assumption;
+qed.
+
+lemma in_list_sieve_to_leq : \forall n,p.2 \leq n \to in_list ? p (sieve n) \to
+                             p \leq n.
+intros;elim (sieve_sound1 ? H);elim (H3 ? H1);assumption;
+qed.
+
+lemma sieve_sound2 : \forall n,p.p \leq n \to prime p \to in_list ? p (sieve n).
+intros;elim (sieve_prime n n (list_n n) [])
+  [elim (H3 p);apply H5;assumption
+  |split
+     [intro;elim (not_in_list_nil ? ? H2)
+     |intros;lapply (lt_to_not_le ? ? (H4 2 ?))
+        [apply in_list_SSO_list_n;apply (trans_le ? ? ? ? H);
+         apply prime_to_lt_SO;assumption
+        |elim Hletin;apply prime_to_lt_SO;assumption]]
+  |split;intros
+     [split;intros
+        [split
+           [apply (le_SSO_list_n ? ? H2)
+           |apply (le_list_n ? ? H2)]
+        |elim (not_in_list_nil ? ? H3)]
+     |apply le_list_n_r
+        [apply (trans_le ? ? ? H2 H3)
+        |assumption
+        |assumption]]
+  |apply le_length_list_n
+  |apply sort_nil
+  |elim n;simplify
+     [apply sort_nil
+     |elim n1;simplify
+        [apply sort_nil
+        |simplify;apply sort_cons
+           [apply sorted_list_n_aux
+           |intros;lapply (le_list_n_aux_k_k ? ? ? H4);
+            assumption]]]]
+qed.
+
+let rec checker l \def
+    match l with
+      [ nil => true
+      | cons h1 t1 => match t1 with
+         [ nil => true
+         | cons h2 t2 => (andb (checker t1) (leb h1 (2*h2))) ]].
+
+lemma checker_cons : \forall t,l.checker (t::l) = true \to checker l = true.
+intros 2;simplify;intro;generalize in match H;elim l
+  [reflexivity
+  |change in H2 with (andb (checker (t1::l1)) (leb t (t1+(t1+O))) = true);
+   apply (andb_true_true ? ? H2)]
+qed.
+
+theorem checker_sound : \forall l1,l2,l,x,y.l = l1@(x::y::l2) \to 
+                        checker l = true \to x \leq 2*y.
+intro;elim l1 0
+  [simplify;intros 5;rewrite > H;simplify;intro;
+   apply leb_true_to_le;apply (andb_true_true_r ? ? H1);
+  |simplify;intros;rewrite > H1 in H2;lapply (checker_cons ? ? H2);
+   apply (H l2 ? ? ? ? Hletin);reflexivity]
+qed.
+
+definition bertrand \def \lambda n.
+\exists p.n < p \land p \le 2*n \land (prime p).
 
 definition not_bertrand \def \lambda n.
 \forall p.n < p \to p \le 2*n \to \not (prime p).
 
+lemma min_prim : \forall n.\exists p. n < p \land prime p \land
+                 \forall q.prime q \to q < p \to q \leq n.
+intro;elim (le_to_or_lt_eq ? ? (le_O_n n))
+   [apply (ex_intro ? ? (min_aux (S (n!)) (S n) primeb));
+    split
+      [split
+         [apply le_min_aux;
+         |apply primeb_true_to_prime;apply f_min_aux_true;elim (ex_prime n);
+            [apply (ex_intro ? ? a);elim H1;elim H2;split
+               [split
+                  [assumption
+                  |rewrite > plus_n_O;apply le_plus
+                     [assumption
+                     |apply le_O_n]]
+               |apply prime_to_primeb_true;assumption]
+            |assumption]]
+      |intros;apply not_lt_to_le;intro;lapply (lt_min_aux_to_false ? ? ? ? H3 H2);
+       rewrite > (prime_to_primeb_true ? H1) in Hletin;destruct Hletin]
+   |apply (ex_intro ? ? 2);split
+      [split
+         [rewrite < H;apply lt_O_S
+         |apply primeb_true_to_prime;reflexivity]
+      |intros;elim (lt_to_not_le ? ? H2);apply prime_to_lt_SO;assumption]]
+qed.
+
+(*lemma pippo : \forall k,n.in_list ? (nth_prime (S k)) (sieve n) \to
+              \exists l.sieve n = l@((nth_prime (S k))::(sieve (nth_prime k))).
+intros;elim H;elim H1;clear H H1;apply (ex_intro ? ? a);
+cut (a1 = sieve (nth_prime k))
+  [rewrite < Hcut;assumption
+  |lapply (sieve_sorted n);generalize in match H2*) 
+
+lemma le_to_bertrand : \forall n.O < n \to n \leq exp 2 8 \to bertrand n.
+intros;
+elim (min_prim n);apply (ex_intro ? ? a);elim H2;elim H3;clear H2 H3;
+cut (a \leq 257)
+  [|apply not_lt_to_le;intro;apply (le_to_not_lt ? ? H1);apply (H4 ? ? H2);
+    apply primeb_true_to_prime;reflexivity]
+split
+   [split
+      [assumption
+      |elim (prime_to_nth_prime a H6);generalize in match H2;cases a1
+         [simplify;intro;rewrite < H3;rewrite < plus_n_O;
+          change in \vdash (? % ?) with (1+1);apply le_plus;assumption
+         |intro;lapply (H4 (nth_prime n1))
+            [apply (trans_le ? (2*(nth_prime n1)))
+               [rewrite < H3;
+                cut (\exists l1,l2.sieve 257 = l1@((nth_prime (S n1))::((nth_prime n1)::l2)))
+                  [elim Hcut1;elim H7;clear Hcut1 H7;
+                   apply (checker_sound a2 a3 (sieve 257))
+                     [apply H8
+                     |reflexivity]
+                  |elim (sieve_sound2 257 (nth_prime (S n1)) ? ?)
+                     [elim (sieve_sound2 257 (nth_prime n1) ? ?)
+                        [elim H8;
+                         cut (\forall p.in_list ? p (a3@(nth_prime n1::a4)) \to prime p)
+                           [|rewrite < H9;intros;apply (in_list_sieve_to_prime 257 p ? H10);
+                            apply leb_true_to_le;reflexivity]
+                         apply (ex_intro ? ? a2);apply (ex_intro ? ? a4);
+                         elim H7;clear H7 H8;
+                         cut ((nth_prime n1)::a4 = a5)
+                           [|generalize in match H10;
+                             lapply (sieve_sorted 257);
+                             generalize in match Hletin1;
+                             rewrite > H9 in ⊢ (? %→? ? % ?→?);
+                             generalize in match Hcut1;
+                             generalize in match a2;
+                             elim a3 0
+                               [intro;elim l
+                                  [change in H11 with (nth_prime n1::a4 = nth_prime (S n1)::a5);
+                                   destruct H11;elim (eq_to_not_lt ? ? Hcut2);
+                                   apply increasing_nth_prime
+                                  |change in H12 with (nth_prime n1::a4 = t::(l1@(nth_prime (S n1)::a5)));
+                                   destruct H12;
+                                   change in H11 with (sorted_gt (nth_prime n1::l1@(nth_prime (S n1)::a5)));
+                                   lapply (sorted_to_minimum ? ? ? H11 (nth_prime (S n1)))
+                                     [unfold in Hletin2;elim (le_to_not_lt ? ? (lt_to_le ? ? Hletin2));
+                                      apply increasing_nth_prime
+                                     |apply (ex_intro ? ? l1);apply (ex_intro ? ? a5);reflexivity]]
+                               |intros 5;elim l1
+                                  [change in H12 with (t::(l@(nth_prime n1::a4)) = nth_prime (S n1)::a5);
+                                   destruct H12;cut (l = [])
+                                     [rewrite > Hcut2;reflexivity
+                                     |change in H11 with (sorted_gt (nth_prime (S n1)::(l@(nth_prime n1::a4))));
+                                      generalize in match H11;generalize in match H8;cases l;intros
+                                        [reflexivity
+                                        |lapply (sorted_cons_to_sorted ? ? ? H13);
+                                         lapply (sorted_to_minimum ? ? ? H13 n2)
+                                           [simplify in Hletin2;lapply (sorted_to_minimum ? ? ? Hletin2 (nth_prime n1))
+                                              [unfold in Hletin3;unfold in Hletin4;
+                                               elim (lt_nth_prime_to_not_prime ? ? Hletin4 Hletin3);
+                                               apply H12;
+                                               apply (ex_intro ? ? [nth_prime (S n1)]);
+                                               apply (ex_intro ? ? (l2@(nth_prime n1::a4)));
+                                               reflexivity
+                                              |apply (ex_intro ? ? l2);apply (ex_intro ? ? a4);reflexivity]
+                                           |simplify;apply in_list_head]]]
+                                  |change in H13 with (t::(l@(nth_prime n1::a4)) = t1::(l2@(nth_prime (S n1)::a5)));
+                                   destruct H13;apply (H7 l2 ? ? Hcut3)
+                                     [intros;apply H8;simplify;apply in_list_cons;
+                                      assumption
+                                     |simplify in H12;
+                                      apply (sorted_cons_to_sorted ? ? ? H12)]]]]
+                         rewrite > Hcut2 in ⊢ (? ? ? (? ? ? (? ? ? %)));
+                         apply H10
+                        |apply (trans_le ? ? ? Hletin);apply lt_to_le;
+                         apply (trans_le ? ? ? H5 Hcut)
+                        |apply prime_nth_prime]
+                     |rewrite > H3;assumption
+                     |apply prime_nth_prime]]
+               |apply le_times_r;assumption]
+            |apply prime_nth_prime
+            |rewrite < H3;apply increasing_nth_prime]]]
+   |assumption]
+qed.
+
+lemma not_not_bertrand_to_bertrand1: \forall n.
+\lnot (not_bertrand n) \to \forall x. n \le x \to x \le 2*n \to
+(\forall p.x < p \to p \le 2*n \to \not (prime p))
+\to \exists p.n < p \land p \le  x \land (prime p).
+intros 4.elim H1
+  [apply False_ind.apply H.assumption
+  |apply (bool_elim ? (primeb (S n1)));intro
+    [apply (ex_intro ? ? (S n1)).
+     split
+      [split
+        [apply le_S_S.assumption
+        |apply le_n
+        ]
+      |apply primeb_true_to_prime.assumption
+      ]
+    |elim H3
+      [elim H7.clear H7.
+       elim H8.clear H8.
+       apply (ex_intro ? ? a). 
+       split
+        [split
+          [assumption
+          |apply le_S.assumption
+          ]
+        |assumption
+        ]
+      |apply lt_to_le.assumption
+      |elim (le_to_or_lt_eq ? ? H7)
+        [apply H5;assumption
+        |rewrite < H9.
+         apply primeb_false_to_not_prime.
+         assumption
+        ]
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.
+  
+theorem not_not_bertrand_to_bertrand: \forall n.
+\lnot (not_bertrand n) \to bertrand n.
+unfold bertrand.intros.
+apply (not_not_bertrand_to_bertrand1 ? ? (2*n))
+  [assumption
+  |apply le_times_n.apply le_n_Sn
+  |apply le_n
+  |intros.apply False_ind.
+   apply (lt_to_not_le ? ? H1 H2)
+  ]
+qed.
+  
 (* not used
 theorem divides_pi_p_to_divides: \forall p,n,b,g.prime p \to 
 divides p (pi_p n b g) \to \exists i. (i < n \and (b i = true \and
@@ -511,8 +1204,210 @@ rewrite < (eq_log_exp 2)
   ]
 qed.
 
-(*
-theorem tech: \forall n. 2*(3*(S(log 2 (2*n)))/4) < sqrt (2*n) \to
-(sqrt(2*n)/2)*S(log 2 (2*n)) < 2*n / 3.
+theorem tech1: \forall a,b,c,d.O < b \to O < d \to
+(a/b)*(c/d) \le (a*c)/(b*d).
+intros.
+apply le_times_to_le_div
+  [rewrite > (times_n_O O).
+   apply lt_times;assumption
+  |rewrite > assoc_times.
+   rewrite < assoc_times in ⊢ (? (? ? %) ?).
+   rewrite < sym_times in ⊢ (? (? ? (? % ?)) ?).
+   rewrite > assoc_times.
+   rewrite < assoc_times.
+   apply le_times;
+   rewrite > sym_times;apply le_times_div_m_m;assumption
+  ]
+qed.
+
+theorem tech: \forall n. 2*(S(log 2 (2*n))) \le sqrt (2*n) \to
+(sqrt(2*n)/2)*S(log 2 (2*n)) \le 2*n / 4.
+intros.
+cut (4*(S(log 2 (2*n))) \le 2* sqrt(2*n))
+  [rewrite > sym_times.
+   apply le_times_to_le_div
+    [apply lt_O_S
+    |rewrite < assoc_times.
+     apply (trans_le ? (2*sqrt(2*n)*(sqrt (2*n)/2)))
+      [apply le_times_l.assumption
+      |apply (trans_le ? ((2*sqrt(2*n)*(sqrt(2*n))/2)))
+        [apply le_times_div_div_times.
+         apply lt_O_S
+        |rewrite > assoc_times.
+         rewrite > sym_times.
+         rewrite > lt_O_to_div_times.
+         apply leq_sqrt_n.
+         apply lt_O_S
+        ]
+      ]
+    ]
+  |change in ⊢ (? (? % ?) ?) with (2*2).
+   rewrite > assoc_times.
+   apply le_times_r.
+   assumption
+  ]
+qed.
+
+theorem lt_div_S_div: \forall n,m. O < m \to exp m 2 \le n \to 
+n/(S m) < n/m.
+intros.
+apply lt_times_to_lt_div.
+apply (lt_to_le_to_lt ? (S(n/m)*m))
+  [apply lt_div_S.assumption
+  |rewrite > sym_times in ⊢ (? ? %). simplify.
+   rewrite > sym_times in ⊢ (? ? (? ? %)).
+   apply le_plus_l.
+   apply le_times_to_le_div
+    [assumption
+    |rewrite < exp_SSO.
+     assumption
+    ]
+  ]
+qed.
+
+theorem exp_plus_SSO: \forall a,b. exp (a+b) 2 = (exp a 2) + 2*a*b + (exp b 2).
+intros.
+rewrite > exp_SSO.
+rewrite > distr_times_plus.
+rewrite > times_plus_l.
+rewrite < exp_SSO.
+rewrite > assoc_plus.
+rewrite > assoc_plus.
+apply eq_f.
+rewrite > times_plus_l.
+rewrite < exp_SSO.
+rewrite < assoc_plus.
+rewrite < sym_times.
+rewrite > plus_n_O in ⊢ (? ? (? (? ? %) ?) ?).
+rewrite > assoc_times.
+apply eq_f2;reflexivity.
+qed.
+
+theorem tech3: \forall n. (exp 2 8) \le n \to 2*(S(log 2 (2*n))) \le sqrt (2*n).
 intros.
- *)                
+lapply (le_log 2 ? ? (le_n ?) H) as H1.
+rewrite > exp_n_SO in ⊢ (? (? ? (? (? ? (? % ?)))) ?).
+rewrite > log_exp
+  [rewrite > sym_plus.
+   rewrite > plus_n_Sm.
+   unfold sqrt.
+   apply f_m_to_le_max
+    [apply le_times_r.
+     apply (trans_le ? (2*log 2 n))
+      [rewrite < times_SSO_n.
+       apply le_plus_r.
+       apply (trans_le ? 8)
+        [apply leb_true_to_le.reflexivity
+        |rewrite < (eq_log_exp 2)
+          [assumption
+          |apply le_n
+          ]
+        ]
+      |apply (trans_le ? ? ? ? (le_exp_log 2 ? ? )).
+       apply le_times_SSO_n_exp_SSO_n.
+       apply (lt_to_le_to_lt ? ? ? ? H).
+       apply leb_true_to_le.reflexivity
+      ]
+    |apply le_to_leb_true.
+     rewrite > assoc_times.
+     apply le_times_r.
+     rewrite > sym_times.
+     rewrite > assoc_times.
+     rewrite < exp_SSO.
+     rewrite > exp_plus_SSO.
+     rewrite > distr_times_plus.
+     rewrite > distr_times_plus.
+     rewrite > assoc_plus.
+     apply (trans_le ? (4*exp (log 2 n) 2))
+      [change in ⊢ (? ? (? % ?)) with (2*2).
+       rewrite > assoc_times in ⊢ (? ? %).
+       rewrite < times_SSO_n in ⊢ (? ? %).
+       apply le_plus_r.
+       rewrite < times_SSO_n in ⊢ (? ? %).
+       apply le_plus
+        [rewrite > sym_times in ⊢ (? (? ? %) ?).
+         rewrite < assoc_times.
+         rewrite < assoc_times.
+         change in ⊢ (? (? % ?) ?) with 8.
+         rewrite > exp_SSO.
+         apply le_times_l.
+         (* strange things here *)
+         rewrite < (eq_log_exp 2)
+          [assumption
+          |apply le_n
+          ]
+        |apply (trans_le ? (log 2 n))
+          [change in ⊢ (? % ?) with 8.
+           rewrite < (eq_log_exp 2)
+            [assumption
+            |apply le_n
+            ]
+          |rewrite > exp_n_SO in ⊢ (? % ?).
+           apply le_exp
+            [apply lt_O_log
+              [apply (lt_to_le_to_lt ? ? ? ? H).
+               apply leb_true_to_le.reflexivity
+              |apply (lt_to_le_to_lt ? ? ? ? H).
+               apply leb_true_to_le.reflexivity
+              ]
+            |apply le_n_Sn
+            ]
+          ]
+        ]
+      |change in ⊢ (? (? % ?) ?) with (exp 2 2).
+       apply (trans_le ? ? ? ? (le_exp_log 2 ? ?))
+        [apply le_times_exp_n_SSO_exp_SSO_n
+          [apply le_n
+          |change in ⊢ (? % ?) with 8.
+           rewrite < (eq_log_exp 2)
+            [assumption
+            |apply le_n
+            ]
+          ]
+        |apply (lt_to_le_to_lt ? ? ? ? H).
+         apply leb_true_to_le.reflexivity
+        ]
+      ]
+    ]
+  |apply le_n
+  |apply (lt_to_le_to_lt ? ? ? ? H).
+   apply leb_true_to_le.reflexivity
+  ]
+qed.
+      
+theorem le_to_bertrand2:
+\forall n. (exp 2 8) \le n \to bertrand n.
+intros.
+apply not_not_bertrand_to_bertrand.unfold.intro.
+absurd (2*n / 3 \le (sqrt(2*n)/2)*S(log 2 (2*n)))
+  [apply not_bertrand_to_le2
+    [apply (trans_le ? ? ? ? H). 
+     apply le_exp
+      [apply lt_O_S
+      |apply le_n_Sn
+      ]
+    |assumption
+    ]
+  |apply lt_to_not_le.
+   apply (le_to_lt_to_lt ? ? ? ? (lt_div_S_div ? ? ? ?))
+    [apply tech.apply tech3.assumption
+    |apply lt_O_S
+    |apply (trans_le ? (2*exp 2 8))
+      [apply leb_true_to_le.reflexivity
+      |apply le_times_r.assumption
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.
+
+theorem bertrand_n :
+\forall n. O < n \to bertrand n.
+intros;elim (decidable_le n 256)
+  [apply le_to_bertrand;assumption
+  |apply le_to_bertrand2;apply lt_to_le;apply not_le_to_lt;apply H1]
+qed.
+
+(* test 
+theorem mod_exp: eqb (mod (exp 2 8) 13) O = false.
+reflexivity.
+*)