]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/commitdiff
factorization.ma
authorAndrea Asperti <andrea.asperti@unibo.it>
Wed, 14 Sep 2005 07:48:44 +0000 (07:48 +0000)
committerAndrea Asperti <andrea.asperti@unibo.it>
Wed, 14 Sep 2005 07:48:44 +0000 (07:48 +0000)
helm/matita/library/nat/factorization.ma [new file with mode: 0644]

diff --git a/helm/matita/library/nat/factorization.ma b/helm/matita/library/nat/factorization.ma
new file mode 100644 (file)
index 0000000..30174d7
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,530 @@
+(**************************************************************************)
+(*       ___                                                               *)
+(*      ||M||                                                             *)
+(*      ||A||       A project by Andrea Asperti                           *)
+(*      ||T||                                                             *)
+(*      ||I||       Developers:                                           *)
+(*      ||T||       A.Asperti, C.Sacerdoti Coen,                          *)
+(*      ||A||       E.Tassi, S.Zacchiroli                                 *)
+(*      \   /                                                             *)
+(*       \ /        Matita is distributed under the terms of the          *)
+(*        v         GNU Lesser General Public License Version 2.1         *)
+(*                                                                        *)
+(**************************************************************************)
+
+set "baseuri" "cic:/matita/nat/factorization".
+
+include "nat/log.ma".
+include "nat/gcd.ma".
+include "nat/nth_prime.ma".
+
+(* the following factorization algorithm looks for the largest prime
+   factor. *)
+definition max_prime_factor \def \lambda n:nat.
+(max n (\lambda p:nat.eqb (mod n (nth_prime p)) O)).
+
+(* max_prime_factor is indeed a factor *)
+theorem divides_max_prime_factor_n: \forall n:nat. (S O) < n \to
+divides (nth_prime (max_prime_factor n)) n.
+intros.apply divides_b_true_to_divides.
+apply lt_O_nth_prime_n.
+apply f_max_true  (\lambda p:nat.eqb (mod n (nth_prime p)) O) n.
+cut ex nat (\lambda i. nth_prime i = smallest_factor n).
+elim Hcut.
+apply ex_intro nat ? a.
+split.
+apply trans_le a (nth_prime a).
+apply le_n_fn.
+exact lt_nth_prime_n_nth_prime_Sn.
+rewrite > H1. apply le_smallest_factor_n.
+rewrite > H1.
+change with divides_b (smallest_factor n) n = true.
+apply divides_to_divides_b_true.
+apply trans_lt ? (S O).simplify. apply le_n.
+apply lt_SO_smallest_factor.assumption.
+apply divides_smallest_factor_n.
+apply trans_lt ? (S O). simplify. apply le_n. assumption.
+apply prime_to_nth_prime.
+apply prime_smallest_factor_n.assumption.
+qed.
+
+theorem divides_to_max_prime_factor : \forall n,m. (S O) < n \to O < m \to divides n m \to 
+max_prime_factor n \le max_prime_factor m.
+intros.change with
+(max n (\lambda p:nat.eqb (mod n (nth_prime p)) O)) \le
+(max m (\lambda p:nat.eqb (mod m (nth_prime p)) O)).
+apply f_m_to_le_max.
+apply trans_le ? n.
+apply le_max_n.apply divides_to_le.assumption.assumption.
+change with divides_b (nth_prime (max_prime_factor n)) m = true.
+apply divides_to_divides_b_true.
+cut prime (nth_prime (max_prime_factor n)).
+apply lt_O_nth_prime_n.apply prime_nth_prime.
+cut divides (nth_prime (max_prime_factor n)) n.
+apply transitive_divides ? n.
+apply divides_max_prime_factor_n.
+assumption.assumption.
+apply divides_b_true_to_divides.
+apply lt_O_nth_prime_n.
+apply divides_to_divides_b_true.
+apply lt_O_nth_prime_n.
+apply divides_max_prime_factor_n.
+assumption.
+qed.
+
+theorem plog_to_lt_max_prime_factor: \forall n,p,q,r. O < n \to
+p = max_prime_factor n \to 
+(pair nat nat q r) = plog n (nth_prime p) \to
+(S O) < r \to max_prime_factor r < p.
+intros.
+rewrite > H1.
+cut max_prime_factor r \lt max_prime_factor n \lor
+    max_prime_factor r = max_prime_factor n.
+elim Hcut.assumption.
+absurd (divides (nth_prime (max_prime_factor n)) r).
+rewrite < H4.
+apply divides_max_prime_factor_n.
+assumption.
+change with (divides (nth_prime (max_prime_factor n)) r) \to False.
+intro.
+cut \not (mod r (nth_prime (max_prime_factor n))) = O.
+apply Hcut1.apply divides_to_mod_O.
+apply lt_O_nth_prime_n.assumption.
+apply plog_aux_to_not_mod_O n n ? q r.
+apply lt_SO_nth_prime_n.assumption.
+apply le_n.
+rewrite < H1.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq (max_prime_factor r)  (max_prime_factor n).
+apply divides_to_max_prime_factor.
+assumption.assumption.
+apply witness r n (exp (nth_prime p) q).
+rewrite < sym_times.
+apply plog_aux_to_exp n n ? q r.
+apply lt_O_nth_prime_n.assumption.
+qed.
+
+theorem plog_to_lt_max_prime_factor1: \forall n,p,q,r. O < n \to
+max_prime_factor n \le p \to 
+(pair nat nat q r) = plog n (nth_prime p) \to
+(S O) < r \to max_prime_factor r < p.
+intros.
+cut max_prime_factor n < p \lor max_prime_factor n = p.
+elim Hcut.apply le_to_lt_to_lt ? (max_prime_factor n).
+apply divides_to_max_prime_factor.assumption.assumption.
+apply witness r n (exp (nth_prime p) q).
+rewrite > sym_times.
+apply plog_aux_to_exp n n.
+apply lt_O_nth_prime_n.
+assumption.assumption.
+apply plog_to_lt_max_prime_factor n ? q.
+assumption.apply sym_eq.assumption.assumption.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq ? p H1.
+qed.
+
+(* datatypes and functions *)
+
+inductive nat_fact : Set \def
+    nf_last : nat \to nat_fact   
+  | nf_cons : nat \to nat_fact \to nat_fact.
+
+inductive nat_fact_all : Set \def
+    nfa_zero : nat_fact_all
+  | nfa_one : nat_fact_all
+  | nfa_proper : nat_fact \to nat_fact_all.
+
+let rec factorize_aux p n acc \def
+  match p with 
+  [ O \Rightarrow acc
+  | (S p1) \Rightarrow 
+    match plog n (nth_prime p1) with
+    [ (pair q r) \Rightarrow 
+      factorize_aux p1 r (nf_cons q acc)]].
+  
+definition factorize : nat \to nat_fact_all \def \lambda n:nat.
+  match n with
+    [ O \Rightarrow nfa_zero
+    | (S n1) \Rightarrow
+      match n1 with
+      [ O \Rightarrow nfa_one
+    | (S n2) \Rightarrow 
+      let p \def (max (S(S n2)) (\lambda p:nat.eqb (mod (S(S n2)) (nth_prime p)) O)) in
+      match plog (S(S n2)) (nth_prime p) with
+      [ (pair q r) \Rightarrow 
+           nfa_proper (factorize_aux p r (nf_last (pred q)))]]].
+           
+let rec defactorize_aux f i \def
+  match f with
+  [ (nf_last n) \Rightarrow exp (nth_prime i) (S n)
+  | (nf_cons n g) \Rightarrow 
+      (exp (nth_prime i) n)*(defactorize_aux g (S i))].
+      
+definition defactorize : nat_fact_all \to nat \def
+\lambda f : nat_fact_all. 
+match f with 
+[ nfa_zero \Rightarrow O
+| nfa_one \Rightarrow (S O)
+| (nfa_proper g) \Rightarrow defactorize_aux g O]. 
+
+theorem defactorize_aux_factorize_aux : 
+\forall p,n:nat.\forall acc:nat_fact.O < n \to
+((n=(S O) \land p=O) \lor max_prime_factor n < p) \to
+defactorize_aux (factorize_aux p n acc) O = n*(defactorize_aux acc p).
+intro.elim p.simplify.
+elim H1.elim H2.rewrite > H3.
+rewrite > sym_times. apply times_n_SO.
+apply False_ind.apply not_le_Sn_O (max_prime_factor n) H2.
+simplify.
+(* generalizing the goal: I guess there exists a better way *)
+cut \forall q,r.(pair nat nat q r) = (plog_aux n1 n1 (nth_prime n)) \to
+defactorize_aux match (plog_aux n1 n1 (nth_prime n)) with
+[(pair q r)  \Rightarrow (factorize_aux n r (nf_cons q acc))] O =
+n1*defactorize_aux acc (S n).
+apply Hcut (fst ? ? (plog_aux n1 n1 (nth_prime n)))
+(snd ? ? (plog_aux n1 n1 (nth_prime n))).
+apply sym_eq.apply eq_pair_fst_snd.
+intros.
+rewrite < H3.
+simplify.
+cut n1 = r*(exp (nth_prime n) q).
+rewrite > H.
+simplify.rewrite < assoc_times.
+rewrite < Hcut.reflexivity.
+rewrite > sym_times.
+apply plog_aux_to_exp n1 n1.
+apply lt_O_nth_prime_n.assumption.
+cut O < r \lor O = r.
+elim Hcut1.assumption.absurd n1 = O.
+rewrite > Hcut.rewrite < H4.reflexivity.
+simplify. intro.apply not_le_Sn_O O.
+rewrite < H5 in \vdash (? ? %).assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+cut (S O) < r \lor \lnot (S O) < r.
+elim Hcut1.
+right.
+apply plog_to_lt_max_prime_factor1 n1 ? q r.
+assumption.elim H2.
+elim H5.
+apply False_ind.
+apply not_eq_O_S n.apply sym_eq.assumption.
+apply le_S_S_to_le.
+exact H5.
+assumption.assumption.
+cut r=(S O).
+apply nat_case n.
+left.split.assumption.reflexivity.
+intro.right.rewrite > Hcut2.
+simplify.apply le_S_S.apply le_O_n.
+cut r \lt (S O) \or r=(S O).
+elim Hcut2.absurd O=r.
+apply le_n_O_to_eq.apply le_S_S_to_le.exact H5.
+simplify.intro.
+cut O=n1.
+apply not_le_Sn_O O ?.
+rewrite > Hcut3 in \vdash (? ? %).
+assumption.rewrite > Hcut. 
+rewrite < H6.reflexivity.
+assumption.
+apply le_to_or_lt_eq r (S O).
+apply not_lt_to_le.assumption.
+apply decidable_lt (S O) r.
+qed.
+
+theorem defactorize_factorize: \forall n:nat.defactorize (factorize n) = n.
+intro.
+apply nat_case n.reflexivity.
+intro.apply nat_case m.reflexivity.
+intro.change with  
+let p \def (max (S(S m1)) (\lambda p:nat.eqb (mod (S(S m1)) (nth_prime p)) O)) in
+defactorize (match plog (S(S m1)) (nth_prime p) with
+[ (pair q r) \Rightarrow 
+   nfa_proper (factorize_aux p r (nf_last (pred q)))])=(S(S m1)).
+intro.
+(* generalizing the goal; find a better way *)
+cut \forall q,r.(pair nat nat q r) = (plog (S(S m1)) (nth_prime p)) \to
+defactorize (match plog (S(S m1)) (nth_prime p) with
+[ (pair q r) \Rightarrow 
+   nfa_proper (factorize_aux p r (nf_last (pred q)))])=(S(S m1)).
+apply Hcut (fst ? ? (plog (S(S m1)) (nth_prime p)))
+(snd ? ? (plog (S(S m1)) (nth_prime p))).
+apply sym_eq.apply eq_pair_fst_snd.
+intros.
+rewrite < H.
+change with 
+defactorize_aux (factorize_aux p r (nf_last (pred q))) O = (S(S m1)).
+cut (S(S m1)) = (exp (nth_prime p) q)*r.
+cut O <r.
+rewrite > defactorize_aux_factorize_aux.
+change with r*(exp (nth_prime p) (S (pred q))) = (S(S m1)).
+cut (S (pred q)) = q.
+rewrite > Hcut2.
+rewrite > sym_times.
+apply sym_eq.
+apply plog_aux_to_exp (S(S m1)).
+apply lt_O_nth_prime_n.
+assumption.
+(* O < q *)
+apply sym_eq. apply S_pred.
+cut O < q \lor O = q.
+elim Hcut2.assumption.
+absurd divides (nth_prime p) (S (S m1)).
+apply divides_max_prime_factor_n (S (S m1)).
+simplify.apply le_S_S.apply le_S_S. apply le_O_n.
+cut (S(S m1)) = r.
+rewrite > Hcut3 in \vdash (? (? ? %)).
+change with divides (nth_prime p) r \to False.
+intro.
+apply plog_aux_to_not_mod_O (S(S m1)) (S(S m1)) (nth_prime p) q r ? ? ? ?.
+apply divides_to_mod_O.
+apply lt_O_nth_prime_n.
+assumption.
+apply lt_SO_nth_prime_n.
+simplify.apply le_S_S.apply le_O_n.
+apply le_n.
+assumption.rewrite > times_n_SO in \vdash (? ? ? %).
+rewrite < sym_times.
+rewrite > exp_n_O (nth_prime p).
+rewrite > H1 in \vdash (? ? ? (? (? ? %) ?)).
+assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+(* O < r *)
+cut O < r \lor O = r.
+elim Hcut1.assumption.
+apply False_ind.
+apply not_eq_O_S (S m1).
+rewrite > Hcut.rewrite < H1.rewrite < times_n_O.reflexivity.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+(* prova del cut *)
+apply plog_aux_to_exp (S(S m1)).
+apply lt_O_nth_prime_n.
+assumption.
+(* fine prova cut *)
+assumption.
+(* e adesso l'ultimo goal *)
+cut (S O) < r \lor \lnot (S O) < r.
+elim Hcut2.
+right.
+apply plog_to_lt_max_prime_factor1 (S(S m1)) ? q r.
+simplify.apply le_S_S. apply le_O_n.
+apply le_n.
+assumption.assumption.
+cut r=(S O).
+apply nat_case p.
+left.split.assumption.reflexivity.
+intro.right.rewrite > Hcut3.
+simplify.apply le_S_S.apply le_O_n.
+cut r \lt (S O) \or r=(S O).
+elim Hcut3.absurd O=r.
+apply le_n_O_to_eq.apply le_S_S_to_le.exact H2.
+simplify.intro.
+apply not_le_Sn_O O ?.
+rewrite > H3 in \vdash (? ? %).assumption.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq r (S O).
+apply not_lt_to_le.assumption.
+apply decidable_lt (S O) r.
+qed.
+
+let rec max_p f \def
+match f with
+[ (nf_last n) \Rightarrow O
+| (nf_cons n g) \Rightarrow S (max_p g)].
+
+let rec max_p_exponent f \def
+match f with
+[ (nf_last n) \Rightarrow n
+| (nf_cons n g) \Rightarrow max_p_exponent g].
+
+theorem divides_max_p_defactorize: \forall f:nat_fact.\forall i:nat. 
+divides (nth_prime ((max_p f)+i)) (defactorize_aux f i).
+intro.
+elim f.simplify.apply witness ? ? (exp (nth_prime i) n).
+reflexivity.
+change with 
+divides (nth_prime (S(max_p n1)+i)) 
+((exp (nth_prime i) n)*(defactorize_aux n1 (S i))).
+elim H (S i).
+rewrite > H1.
+rewrite < sym_times.
+rewrite > assoc_times.
+rewrite < plus_n_Sm.
+apply witness ? ? (n2*(exp (nth_prime i) n)).
+reflexivity.
+qed.
+
+theorem divides_exp_to_divides: 
+\forall p,n,m:nat. prime p \to 
+divides p (exp n m) \to divides p n.
+intros 3.elim m.simplify in H1.
+apply transitive_divides p (S O).assumption.
+apply divides_SO_n.
+cut divides p n \lor divides p (exp n n1).
+elim Hcut.assumption.
+apply H.assumption.assumption.
+apply divides_times_to_divides.assumption.
+exact H2.
+qed.
+
+theorem divides_exp_to_eq: 
+\forall p,q,m:nat. prime p \to prime q \to
+divides p (exp q m) \to p = q.
+intros.
+simplify in H1.
+elim H1.apply H4.
+apply divides_exp_to_divides p q m.
+assumption.assumption.
+simplify in H.elim H.assumption.
+qed.
+
+theorem  not_divides_defactorize_aux: \forall f:nat_fact. \forall i,j:nat.
+i < j \to \not divides (nth_prime i) (defactorize_aux f j).
+intro.elim f.
+change with
+divides (nth_prime i) (exp (nth_prime j) (S n)) \to False.
+intro.absurd (nth_prime i) = (nth_prime j).
+apply divides_exp_to_eq ? ? (S n).
+apply prime_nth_prime.apply prime_nth_prime.
+assumption.
+change with (nth_prime i) = (nth_prime j) \to False.
+intro.cut i = j.
+apply not_le_Sn_n i.rewrite > Hcut in \vdash (? ? %).assumption.
+apply injective_nth_prime ? ? H2.
+change with 
+divides (nth_prime i) ((exp (nth_prime j) n)*(defactorize_aux n1 (S j))) \to False.
+intro.
+cut divides (nth_prime i) (exp (nth_prime j) n)
+\lor divides (nth_prime i) (defactorize_aux n1 (S j)).
+elim Hcut.
+absurd (nth_prime i) = (nth_prime j).
+apply divides_exp_to_eq ? ? n.
+apply prime_nth_prime.apply prime_nth_prime.
+assumption.
+change with (nth_prime i) = (nth_prime j) \to False.
+intro.
+cut i = j.
+apply not_le_Sn_n i.rewrite > Hcut1 in \vdash (? ? %).assumption.
+apply injective_nth_prime ? ? H4.
+apply H i (S j) ?.
+assumption.apply trans_lt ? j.assumption.simplify.apply le_n.
+apply divides_times_to_divides.
+apply prime_nth_prime.assumption.
+qed.
+
+theorem eq_defactorize_aux_to_eq: \forall f,g:nat_fact.\forall i:nat.
+defactorize_aux f i = defactorize_aux g i \to f = g.
+intro.
+elim f.
+generalize in match H.
+elim g.
+apply eq_f.
+apply inj_S. apply inj_exp_r (nth_prime i).
+apply lt_SO_nth_prime_n.
+assumption.
+absurd defactorize_aux (nf_last n) i =
+defactorize_aux (nf_cons n1 n2) i.
+rewrite > H2.reflexivity.
+absurd divides (nth_prime (S(max_p n2)+i)) (defactorize_aux (nf_cons n1 n2) i).
+apply divides_max_p_defactorize.
+rewrite < H2.
+change with 
+(divides (nth_prime (S(max_p n2)+i)) (exp (nth_prime i) (S n))) \to False.
+intro.
+absurd nth_prime (S (max_p n2) + i) = nth_prime i.
+apply divides_exp_to_eq ? ? (S n).
+apply prime_nth_prime.apply prime_nth_prime.assumption.
+change with nth_prime (S (max_p n2) + i) = nth_prime i \to False.
+intro.apply not_le_Sn_n i.
+cut S(max_p n2)+i= i.
+rewrite < Hcut in \vdash (? ? %).
+simplify.apply le_S_S.
+apply le_plus_n.
+apply injective_nth_prime ? ? H4.
+generalize in match H1.
+elim g.
+absurd defactorize_aux (nf_last n2) i =
+defactorize_aux (nf_cons n n1) i.
+apply sym_eq. assumption.
+absurd divides (nth_prime (S(max_p n1)+i)) (defactorize_aux (nf_cons n n1) i).
+apply divides_max_p_defactorize.
+rewrite > H2.
+change with 
+(divides (nth_prime (S(max_p n1)+i)) (exp (nth_prime i) (S n2))) \to False.
+intro.
+absurd nth_prime (S (max_p n1) + i) = nth_prime i.
+apply divides_exp_to_eq ? ? (S n2).
+apply prime_nth_prime.apply prime_nth_prime.assumption.
+change with nth_prime (S (max_p n1) + i) = nth_prime i \to False.
+intro.apply not_le_Sn_n i.
+cut S(max_p n1)+i= i.
+rewrite < Hcut in \vdash (? ? %).
+simplify.apply le_S_S.
+apply le_plus_n.
+apply injective_nth_prime ? ? H4.
+simplify in H3.
+generalize in match H3.
+apply nat_elim2 (\lambda n,n2.
+(exp (nth_prime i) n)*(defactorize_aux n1 (S i)) =
+(exp (nth_prime i) n2)*(defactorize_aux n3 (S i)) \to
+nf_cons n n1 = nf_cons n2 n3).
+intro.
+elim n4. apply eq_f.
+apply H n3 (S i).
+simplify in H4.
+rewrite > plus_n_O.
+rewrite > plus_n_O (defactorize_aux n3 (S i)).assumption.
+apply False_ind.
+apply not_divides_defactorize_aux n1 i (S i) ?.
+simplify in H5.
+rewrite > plus_n_O (defactorize_aux n1 (S i)).
+rewrite > H5.
+rewrite > assoc_times.
+apply witness ? ? ((exp (nth_prime i) n5)*(defactorize_aux n3 (S i))).
+reflexivity.
+simplify. apply le_n.
+intros.
+apply False_ind.
+apply not_divides_defactorize_aux n3 i (S i) ?.
+simplify in H4.
+rewrite > plus_n_O (defactorize_aux n3 (S i)).
+rewrite < H4.
+rewrite > assoc_times.
+apply witness ? ? ((exp (nth_prime i) n4)*(defactorize_aux n1 (S i))).
+reflexivity.
+simplify. apply le_n.
+intros.
+cut nf_cons n4 n1 = nf_cons m n3.
+cut n4=m.
+cut n1=n3.
+rewrite > Hcut1.rewrite > Hcut2.reflexivity.
+change with 
+match nf_cons n4 n1 with
+[ (nf_last m) \Rightarrow n1
+| (nf_cons m g) \Rightarrow g ] = n3.
+rewrite > Hcut.simplify.reflexivity.
+change with 
+match nf_cons n4 n1 with
+[ (nf_last m) \Rightarrow m
+| (nf_cons m g) \Rightarrow m ] = m.
+rewrite > Hcut.simplify.reflexivity.
+apply H4.simplify in H5.
+apply inj_times_r1 (nth_prime i).
+apply lt_O_nth_prime_n.
+rewrite < assoc_times.rewrite < assoc_times.assumption.
+qed.
+
+theorem injective_defactorize_aux: \forall i:nat.
+injective nat_fact nat (\lambda f.defactorize_aux f i).
+change with \forall i:nat.\forall f,g:nat_fact.
+defactorize_aux f i = defactorize_aux g i \to f = g.
+intros.
+apply eq_defactorize_aux_to_eq f g i H.
+qed.
+
+(*
+theorem injective_defactorize: 
+injective nat_fact_all nat defactorize.
+change with \forall f,g:nat_fact_all.
+defactorize f = defactorize g \to f = g.
+intro.elim f.
+generalize in match H.elim g.
+reflexivity.simplify in H1.
+*)
+