]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blobdiff - helm/software/matita/library/nat/chebyshev.ma
Dummy dependent products in inductive types arities are no longer cleaned.
[helm.git] / helm / software / matita / library / nat / chebyshev.ma
index e4ca6587a2bb8ad4b6d53919fc6619ab774545cb..ff7db61cc241eaeaebcd241f06ceceafecb08ceb 100644 (file)
@@ -12,8 +12,6 @@
 (*                                                                        *)
 (**************************************************************************)
 
-set "baseuri" "cic:/matita/nat/chebishev".
-
 include "nat/log.ma".
 include "nat/pi_p.ma".
 include "nat/factorization.ma".
@@ -22,6 +20,203 @@ include "nat/factorial2.ma".
 definition prim: nat \to nat \def
 \lambda n. sigma_p (S n) primeb (\lambda p.(S O)).
 
+theorem le_prim_n: \forall n. prim n \le n.
+intros.unfold prim. elim n
+  [apply le_n
+  |apply (bool_elim ? (primeb (S n1)));intro
+    [rewrite > true_to_sigma_p_Sn
+      [rewrite > sym_plus.
+       rewrite < plus_n_Sm.
+       rewrite < plus_n_O.
+       apply le_S_S.assumption
+      |assumption
+      ]
+    |rewrite > false_to_sigma_p_Sn
+      [apply le_S.assumption
+      |assumption
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.
+
+theorem not_prime_times_SSO: \forall n. 1 < n \to \lnot prime (2*n).
+intros.intro.elim H1.
+absurd (2 = 2*n)
+  [apply H3
+    [apply (witness ? ? n).reflexivity
+    |apply le_n
+    ]
+  |apply lt_to_not_eq.
+   rewrite > times_n_SO in ⊢ (? % ?).
+   apply lt_times_r.
+   assumption
+  ]
+qed.
+
+theorem eq_prim_prim_pred: \forall n. 1 < n \to 
+(prim (2*n)) = (prim (pred (2*n))).
+intros.unfold prim.
+rewrite < S_pred
+  [rewrite > false_to_sigma_p_Sn
+    [reflexivity
+    |apply not_prime_to_primeb_false.
+     apply not_prime_times_SSO.
+     assumption
+    ]
+  |apply (trans_lt ? (2*1))
+    [simplify.apply lt_O_S
+    |apply lt_times_r.
+     assumption
+    ]
+  ]
+qed.
+
+theorem le_prim_n1: \forall n. 4 \le n \to prim (S(2*n)) \le n.
+intros.unfold prim. elim H
+  [simplify.apply le_n
+  |cut (sigma_p (2*S n1) primeb (λp:nat.1) = sigma_p (S (2*S n1)) primeb (λp:nat.1))
+    [apply (bool_elim ? (primeb (S(2*(S n1)))));intro
+      [rewrite > true_to_sigma_p_Sn
+        [rewrite > sym_plus.
+         rewrite < plus_n_Sm.
+         rewrite < plus_n_O.
+         apply le_S_S.
+         rewrite < Hcut.
+         rewrite > times_SSO.
+         assumption
+        |assumption
+        ]
+      |rewrite > false_to_sigma_p_Sn
+        [apply le_S.
+         rewrite < Hcut.
+         rewrite > times_SSO.
+         assumption
+        |assumption
+        ]
+      ]
+    |apply sym_eq.apply (eq_prim_prim_pred (S n1)).
+     apply le_S_S.apply (trans_le ? 4)
+      [apply leb_true_to_le.reflexivity
+      |assumption
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.
+
+(* usefull to kill a successor in bertrand *) 
+theorem le_prim_n2: \forall n. 7 \le n \to prim (S(2*n)) \le pred n.
+intros.unfold prim. elim H
+  [apply leb_true_to_le.reflexivity.
+  |cut (sigma_p (2*S n1) primeb (λp:nat.1) = sigma_p (S (2*S n1)) primeb (λp:nat.1))
+    [apply (bool_elim ? (primeb (S(2*(S n1)))));intro
+      [rewrite > true_to_sigma_p_Sn
+        [rewrite > sym_plus.
+         rewrite < plus_n_Sm.
+         rewrite < plus_n_O.
+         simplify in  ⊢ (? ? %).
+         rewrite > S_pred in ⊢ (? ? %)
+          [apply le_S_S.
+           rewrite < Hcut.
+           rewrite > times_SSO.
+           assumption
+          |apply (ltn_to_ltO ? ? H1)
+          ]
+        |assumption
+        ]
+      |rewrite > false_to_sigma_p_Sn
+        [simplify in  ⊢ (? ? %).
+         apply (trans_le ? ? ? ? (le_pred_n n1)).
+         rewrite < Hcut.
+         rewrite > times_SSO.
+         assumption
+        |assumption
+        ]
+      ]
+    |apply sym_eq.apply (eq_prim_prim_pred (S n1)).
+     apply le_S_S.apply (trans_le ? 4)
+      [apply leb_true_to_le.reflexivity
+      |apply (trans_le ? ? ? ? H1).
+       apply leb_true_to_le.reflexivity
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.
+
+(* da spostare *)
+theorem le_pred: \forall n,m. n \le m \to pred n \le pred m.
+apply nat_elim2;intros
+  [apply le_O_n
+  |apply False_ind.apply (le_to_not_lt ? ? H).
+   apply lt_O_S
+  |simplify.apply le_S_S_to_le.assumption
+  ]
+qed.
+
+(* si dovrebbe poter migliorare *)
+theorem le_prim_n3: \forall n. 15 \le n \to
+prim n \le pred (n/2).
+intros.
+elim (or_eq_eq_S (pred n)).
+elim H1
+  [cut (n = S (2*a))
+    [rewrite > Hcut.
+     apply (trans_le ? (pred a))
+      [apply le_prim_n2.
+       apply (le_times_to_le 2)
+        [apply le_n_Sn
+        |apply le_S_S_to_le.
+         rewrite < Hcut.
+         assumption
+        ]
+      |apply le_pred.
+       apply le_times_to_le_div
+        [apply lt_O_S
+        |apply le_n_Sn
+        ]
+      ]
+    |rewrite < H2.
+     apply S_pred.
+     apply (ltn_to_ltO ? ? H)
+    ]
+  |cut (n=2*(S a))
+    [rewrite > Hcut.
+     rewrite > eq_prim_prim_pred
+      [rewrite > times_SSO in ⊢ (? % ?).
+       change in ⊢ (? (? %) ?) with (S (2*a)).
+       rewrite > sym_times in ⊢ (? ? (? (? % ?))).
+       rewrite > lt_O_to_div_times
+        [apply (trans_le ? (pred a))
+          [apply le_prim_n2.
+           apply le_S_S_to_le.
+           apply (lt_times_to_lt 2)
+            [apply le_n_Sn
+            |apply le_S_S_to_le.
+             rewrite < Hcut.
+             apply le_S_S.
+             assumption
+            ]
+          |apply le_pred.
+           apply le_n_Sn
+          ]
+        |apply lt_O_S
+        ]
+      |apply le_S_S.
+       apply not_lt_to_le.intro.
+       apply (le_to_not_lt ? ? H).
+       rewrite > Hcut.
+       lapply (le_S_S_to_le ? ? H3) as H4.
+       apply (le_n_O_elim ? H4).
+       apply leb_true_to_le.reflexivity
+      ]
+    |rewrite > times_SSO.
+     rewrite > S_pred
+      [apply eq_f.assumption
+      |apply (ltn_to_ltO ? ? H)
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.   
+
 (* This is chebishev psi function *)
 definition A: nat \to nat \def
 \lambda n. pi_p (S n) primeb (\lambda p.exp p (log p n)).
@@ -944,6 +1139,30 @@ pi_p (S n) primeb
   (\lambda p.(pi_p (log p n)   
     (\lambda i.true) (\lambda i.(exp p (mod (n /(exp p (S i))) (S(S O))))))).
 
+theorem B_SSSO: B 3 = 6.
+reflexivity.
+qed.
+
+theorem B_SSSSO: B 4 = 6.
+reflexivity.
+qed.
+
+theorem B_SSSSSO: B 5 = 30.
+reflexivity.
+qed.
+
+theorem B_SSSSSSO: B 6 = 20.
+reflexivity.
+qed.
+
+theorem B_SSSSSSSO: B 7 = 140.
+reflexivity.
+qed.
+
+theorem B_SSSSSSSSO: B 8 = 70.
+reflexivity.
+qed.
+
 theorem eq_fact_B:\forall n.S O < n \to
 fact ((S(S O))*n) = exp (fact n) (S(S O)) * B((S(S O))*n).
 intros. unfold B.
@@ -1095,6 +1314,23 @@ intro.cases n
   ]
 qed.
 
+theorem lt_SSSSO_to_le_B_exp: \forall n.4 < n \to
+B (2*n) \le exp 2 ((2*n)-2).
+intros.
+apply (le_times_to_le (exp (fact n) (S(S O))))
+  [apply lt_O_exp.
+   apply lt_O_fact
+  |rewrite < eq_fact_B
+    [rewrite < sym_times in ⊢ (? ? %).
+     rewrite > exp_SSO.
+     rewrite < assoc_times.
+     apply lt_SSSSO_to_fact.assumption
+    |apply lt_to_le.apply lt_to_le.
+     apply lt_to_le.assumption
+    ]
+  ]
+qed.
+
 theorem lt_SO_to_le_exp_B: \forall n. S O < n \to
 exp (S(S O)) ((S(S O))*n) \le (S(S O)) * n * B ((S(S O))*n).
 intros.
@@ -1304,6 +1540,16 @@ apply (trans_le ? (B(2*n)*A n))
   ]
 qed.
 
+theorem lt_SSSSO_to_le_A_exp: \forall n. 4 < n \to
+A(2*n) \le exp 2 ((2*n)-2)*A n.
+intros.
+apply (trans_le ? (B(2*n)*A n))
+  [apply le_A_BA
+  |apply le_times_l.
+   apply lt_SSSSO_to_le_B_exp.assumption
+  ]
+qed.
+
 theorem times_SSO_pred: \forall n. 2*(pred n) \le pred (2*n).
 intro.cases n
   [apply le_n
@@ -1462,23 +1708,6 @@ theorem A_SSSSO: A (S(S(S(S O)))) = S(S(S(S(S(S(S(S(S(S(S(S O))))))))))).
 reflexivity.
 qed.
 
-(* da spostare *)
-theorem or_eq_eq_S: \forall n.\exists m. 
-n = (S(S O))*m \lor n = S ((S(S O))*m).
-intro.elim n
-  [apply (ex_intro ? ? O).
-   left.reflexivity
-  |elim H.elim H1
-    [apply (ex_intro ? ? a).
-     right.apply eq_f.assumption
-    |apply (ex_intro ? ? (S a)).
-     left.rewrite > H2.
-     apply sym_eq.
-     apply times_SSO
-    ]
-  ]
-qed.
-
 (*
 (* a better result *)
 theorem le_A_exp3: \forall n. S O < n \to
@@ -1723,6 +1952,138 @@ elim H2
   ]
 qed.
 
+theorem le_n_SSSSSSSSO_to_le_A_exp: 
+\forall n. n \le 8 \to A(n) \le exp 2 ((2 * n) -3).
+intro.cases n
+  [intro.apply le_n
+  |cases n1
+    [intro.apply le_n
+    |cases n2
+      [intro.apply le_n
+      |cases n3
+        [intro.apply leb_true_to_le.reflexivity
+        |cases n4
+          [intro.apply leb_true_to_le.reflexivity
+          |cases n5
+            [intro.apply leb_true_to_le.reflexivity
+            |cases n6
+              [intro.apply leb_true_to_le.reflexivity
+              |cases n7
+                [intro.apply leb_true_to_le.reflexivity
+                |cases n8
+                  [intro.apply leb_true_to_le.reflexivity
+                  |intro.apply False_ind.
+                   apply (lt_to_not_le ? ? H).
+                   apply leb_true_to_le.reflexivity
+                  ]
+                ]
+              ]
+            ]
+          ]
+        ]
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.
+           
+theorem le_A_exp5: \forall n. A(n) \le exp 2 ((2 * n) -3).
+intro.
+apply (nat_elim1 n).
+intros.
+elim (decidable_le 9 m)
+  [elim (or_eq_eq_S m).
+   elim H2
+    [rewrite > H3 in ⊢ (? % ?).
+     apply (trans_le ? (exp 2 (pred(2*a))*A a))
+      [apply le_A_exp
+      |apply (trans_le ? (2\sup(pred(2*a))*(2\sup((2*a)-3))))
+        [apply le_times_r.
+         apply H.
+         rewrite > H3. 
+         apply lt_m_nm
+          [apply (trans_lt ? 4)
+            [apply lt_O_S
+            |apply (lt_times_to_lt 2)
+              [apply lt_O_S
+              |rewrite < H3.assumption
+              ]
+            ]
+          |apply le_n
+          ]
+        |rewrite < H3.
+         rewrite < exp_plus_times.
+         apply le_exp
+          [apply lt_O_S
+          |simplify.rewrite < plus_n_O.
+           rewrite > eq_minus_plus_plus_minus
+            [apply le_plus_l.
+             apply le_pred_n
+            |apply (trans_le ? 9)
+              [apply leb_true_to_le. reflexivity
+              |assumption
+              ]
+            ]
+          ]
+        ]
+      ]
+    |apply (trans_le ? (A (2*(S a))))
+      [apply monotonic_A.
+       rewrite > H3.
+       rewrite > times_SSO.
+       apply le_n_Sn
+      |apply (trans_le ? ((exp 2 ((2*(S a))-2))*A (S a)))
+        [apply lt_SSSSO_to_le_A_exp.
+         apply le_S_S.
+         apply (le_times_to_le 2)
+          [apply le_n_Sn.
+          |apply le_S_S_to_le.rewrite < H3.assumption
+          ]
+        |apply (trans_le ? ((2\sup((2*S a)-2))*(exp 2 ((2*(S a))-3))))
+          [apply le_times_r.
+           apply H.
+           rewrite > H3.
+           apply le_S_S. 
+           apply lt_m_nm
+            [apply (lt_to_le_to_lt ? 4)
+              [apply lt_O_S
+              |apply (le_times_to_le 2)
+                [apply lt_O_S
+                |apply le_S_S_to_le.
+                 rewrite < H3.assumption
+                ]
+              ]
+            |apply le_n
+            ]
+          |rewrite > times_SSO.
+           rewrite < H3.
+           rewrite < exp_plus_times.
+           apply le_exp
+            [apply lt_O_S
+            |cases m
+              [apply le_n
+              |cases n1
+                [apply le_n
+                |simplify.
+                 rewrite < minus_n_O.
+                 rewrite < plus_n_O.
+                 rewrite < plus_n_Sm.
+                 simplify.rewrite < minus_n_O.
+                 rewrite < plus_n_Sm.
+                 apply le_n
+                ]
+              ]
+            ]
+          ]
+        ]
+      ]
+    ]
+  |apply le_n_SSSSSSSSO_to_le_A_exp.
+   apply le_S_S_to_le.
+   apply not_le_to_lt.
+   assumption
+  ]
+qed.       
+
 theorem eq_sigma_pi_SO_n: \forall n.
 sigma_p n (\lambda i.true) (\lambda i.S O) = n.
 intro.elim n
@@ -1778,8 +2139,6 @@ apply (trans_le ? ((((S(S O))*n*(B ((S(S O))*n))))))
   ]
 qed.
 
-alias num (instance 0) = "natural number".
-
 theorem le_exp_prim4l: \forall n. O < n \to
 exp 2 (S(4*n)) \le exp (4*n) (S(prim (4*n))).
 intros.
@@ -1808,7 +2167,7 @@ apply (trans_le ? (2*(4*n*(B (4*n)))))
 qed.
 
 theorem le_priml: \forall n. O < n \to
-(S(S O))*n \le (S (log (S(S O)) ((S(S O))*n)))*S(prim ((S(S O))*n)).
+2*n \le (S (log 2 (2*n)))*S(prim (2*n)).
 intros.
 rewrite < (eq_log_exp (S(S O))) in ⊢ (? % ?)
   [apply (trans_le ? ((log (S(S O)) (exp ((S(S O))*n) (S(prim ((S(S O))*n)))))))
@@ -1824,23 +2183,82 @@ rewrite < (eq_log_exp (S(S O))) in ⊢ (? % ?)
   ]
 qed.
 
-theorem le_exp_primr: \forall n. S O < n \to
-exp n (prim n) \le exp (pred n) 2*(exp 2 (2*(2*n-3))).
+theorem le_exp_primr: \forall n.
+exp n (prim n) \le exp 2 (2*(2*n-3)).
 intros.
 apply (trans_le ? (exp (A n) 2))
   [change in ⊢ (? ? %) with ((A n)*((A n)*(S O))).
    rewrite < times_n_SO.
    apply leA_r2
-  |apply (trans_le ? (exp ((pred n)*(exp 2 (2*n - 3))) 2))
-    [apply monotonic_exp1.
-     apply le_A_exp4.
+  |rewrite > sym_times.
+   rewrite < exp_exp_times.
+   apply monotonic_exp1.
+   apply le_A_exp5
+  ]
+qed.
+
+(* bounds *)
+theorem le_primr: \forall n. 1 < n \to prim n \le 2*(2*n-3)/log 2 n.
+intros.
+apply le_times_to_le_div
+  [apply lt_O_log
+    [apply lt_to_le.assumption
+    |assumption
+    ]
+  |apply (trans_le ? (log 2 (exp n (prim n))))
+    [rewrite > sym_times.
+     apply log_exp2
+      [apply le_n
+      |apply lt_to_le.assumption
+      ]
+    |rewrite < (eq_log_exp 2) in ⊢ (? ? %)
+      [apply le_log
+        [apply le_n
+        |apply le_exp_primr
+        ]
+      |apply le_n
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.
+     
+theorem le_priml1: \forall n. O < n \to
+2*n/((log 2 n)+2) - 1 \le prim (2*n).
+intros.
+apply le_plus_to_minus.
+apply le_times_to_le_div2
+  [rewrite > sym_plus.
+   simplify.apply lt_O_S
+  |rewrite > sym_times in ⊢ (? ? %).
+   rewrite < plus_n_Sm.
+   rewrite < plus_n_Sm in ⊢ (? ? (? ? %)).
+   rewrite < plus_n_O.
+   rewrite < sym_plus.
+   rewrite < log_exp
+    [simplify in ⊢ (? ? (? (? (? ? (? % ?))) ?)).
+     apply le_priml.
      assumption
-    |rewrite < times_exp.
-     rewrite > exp_exp_times.
-     apply le_times_r.
-     rewrite > sym_times.
-     apply le_n
+    |apply le_n
+    |assumption
     ]
   ]
 qed.
 
+(*
+theorem prim_SSSSSSO: \forall n.30\le n \to O < prim (8*n) - prim n.
+intros.
+apply lt_to_lt_O_minus.
+change in ⊢ (? ? (? (? % ?))) with (2*4).
+rewrite > assoc_times.
+apply (le_to_lt_to_lt ? (2*(2*n-3)/log 2 n))
+  [apply le_primr.apply (trans_lt ? ? ? ? H).
+   apply leb_true_to_le.reflexivity
+  |apply (lt_to_le_to_lt ? (2*(4*n)/((log 2 (4*n))+2) - 1))
+    [elim H
+      [
+normalize in ⊢ (%);simplify.
+    |apply le_priml1.
+*)   
+
+
+