]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/commitdiff
beginning proof of chebyshev's bound on prim.
authorWilmer Ricciotti <ricciott@cs.unibo.it>
Fri, 21 Dec 2007 16:09:59 +0000 (16:09 +0000)
committerWilmer Ricciotti <ricciott@cs.unibo.it>
Fri, 21 Dec 2007 16:09:59 +0000 (16:09 +0000)
helm/software/matita/library/nat/chebyshev_thm.ma [new file with mode: 0644]
helm/software/matita/library/nat/iteration2.ma

diff --git a/helm/software/matita/library/nat/chebyshev_thm.ma b/helm/software/matita/library/nat/chebyshev_thm.ma
new file mode 100644 (file)
index 0000000..bf616a1
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,345 @@
+(**************************************************************************)
+(*       ___                                                              *)
+(*      ||M||                                                             *)
+(*      ||A||       A project by Andrea Asperti                           *)
+(*      ||T||                                                             *)
+(*      ||I||       Developers:                                           *)
+(*      ||T||         The HELM team.                                      *)
+(*      ||A||         http://helm.cs.unibo.it                             *)
+(*      \   /                                                             *)
+(*       \ /        This file is distributed under the terms of the       *)
+(*        v         GNU General Public License Version 2                  *)
+(*                                                                        *)
+(**************************************************************************)
+
+set "baseuri" "cic:/matita/nat/chebyshev_thm/".
+
+include "nat/neper.ma".
+
+definition C \def \lambda n.pi_p (S n) primeb 
+  (\lambda p.match (leb (p*p) n) with
+    [ true => p
+    | false => S (n/p) ]).
+    
+theorem asdasd : \forall n. exp n (prim n) \leq (A n)*(C n).
+intro;unfold prim;rewrite < exp_sigma_p;unfold A;unfold C;rewrite < times_pi_p;
+apply le_pi_p;intros;
+apply (bool_elim ? (leb (i*i) n));intro
+    [change in \vdash (? ? (? ? %)) with i;
+     rewrite > sym_times;change in \vdash (? ? %) with (exp i (S (log i n)));
+     apply lt_to_le;apply lt_exp_log;apply prime_to_lt_SO;
+     apply primeb_true_to_prime;assumption
+    |change in \vdash (? ? (? ? %)) with (S (n/i));
+     cut (log i n = S O)
+       [rewrite > Hcut;rewrite < exp_n_SO;
+        apply lt_to_le;rewrite > sym_times;apply lt_div_S;apply prime_to_lt_O;
+        apply primeb_true_to_prime;assumption
+       |apply antisymmetric_le
+         [apply le_S_S_to_le;apply not_le_to_lt;intro;
+          apply (leb_false_to_not_le ? ? H2);apply (trans_le ? (exp i (log i n)))
+           [rewrite < exp_SSO;apply le_exp;
+              [apply prime_to_lt_O;
+               apply primeb_true_to_prime;assumption
+              |assumption]
+           |apply le_exp_log;apply (trans_le ? i)
+              [apply prime_to_lt_O;apply primeb_true_to_prime;assumption
+              |apply le_S_S_to_le;assumption]]
+         |apply (trans_le ? (log i i))
+           [rewrite > log_n_n;
+              [apply le_n
+              |apply prime_to_lt_SO;apply primeb_true_to_prime;assumption]
+           |apply le_log
+              [apply prime_to_lt_SO;apply primeb_true_to_prime;assumption
+              |apply le_S_S_to_le;assumption]]]]]
+qed.
+
+definition theta_pi \def
+  \lambda n.pi_p (S n) primeb (\lambda p.p). 
+
+definition C1 \def
+  \lambda n. pi_p (S n) (\lambda x. (primeb x) \land (leb (x*x) n)) (\lambda p.p).
+  
+definition C2 \def
+  \lambda n. pi_p (S n) (\lambda x. (primeb x) \land (leb (S n) (x*x))) (\lambda p.S (n/p)).
+  
+
+theorem jj : \forall n.C n = C1 n * C2 n.
+intro;unfold C;unfold C1;unfold C2;
+cut (\forall m.pi_p (S n) primeb
+(λp:nat
+ .match leb (p*p) m in bool return λb:bool.nat with 
+  [true⇒p|false⇒S (m/p)])
+=pi_p (S n) (λx:nat.primeb x∧leb (x*x) m) (λp:nat.p)
+ *pi_p (S n) (λx:nat.primeb x∧leb (S m) (x*x)) (λp:nat.S (m/p)))
+  [apply Hcut;
+  |intro;elim n 0
+     [simplify;reflexivity
+     |intro;apply (bool_elim ? (primeb (S n1)))
+        [intros;rewrite > true_to_pi_p_Sn
+           [apply (bool_elim ? (leb ((S n1)*(S n1)) m))
+              [intro;rewrite > true_to_pi_p_Sn in \vdash (? ? ? (? % ?))
+                 [rewrite > false_to_pi_p_Sn in \vdash (? ? ? (? ? %))
+                    [rewrite > H1;rewrite > H2;rewrite < assoc_times;reflexivity
+                    |rewrite > H;lapply (leb_true_to_le ? ? H2);
+                     lapply (le_to_not_lt ? ? Hletin);
+                     apply (bool_elim ? (leb (S m) (S n1 * S n1)))
+                       [intro;apply False_ind;apply Hletin1;
+                        apply leb_true_to_le;assumption
+                       |intro;reflexivity]]
+                 |rewrite > H2;rewrite > H;reflexivity]
+              |intro;rewrite > false_to_pi_p_Sn in \vdash (? ? ? (? % ?))
+                 [rewrite > true_to_pi_p_Sn in \vdash (? ? ? (? ? %))
+                    [rewrite > H1;rewrite < assoc_times;
+                     rewrite > sym_times in \vdash (? ? (? % ?) ?);
+                     rewrite > assoc_times;reflexivity
+                    |rewrite > H;
+                     change in \vdash (? ? % ?) with (leb (S m) (S n1* S n1));
+                     apply le_to_leb_true;apply not_le_to_lt;
+                     apply leb_false_to_not_le;assumption]
+                 |rewrite > H;rewrite > H2;reflexivity]]
+           |assumption]
+        |intros;rewrite > false_to_pi_p_Sn
+           [rewrite > false_to_pi_p_Sn in \vdash (? ? ? (? % ?))
+              [rewrite > false_to_pi_p_Sn in \vdash (? ? ? (? ? %))
+                 [rewrite > H1;reflexivity
+                 |rewrite > H;elim (leb (S m) (S n1*S n1));simplify;reflexivity]
+              |rewrite > H;elim (leb (S n1*S n1) m);simplify;reflexivity]
+           |assumption]]]]
+qed.
+
+theorem log_pi_p : \forall n,b,f,g.S O < b \to
+  log b (pi_p n f g) \leq 
+    (sigma_p n f (\lambda x.S O)) + (sigma_p n f (\lambda x.log b (g x))).
+intros;elim n
+  [simplify;rewrite < times_n_SO;apply (leb_elim b (S O))
+    [intro;elim (lt_to_not_le ? ? H);assumption
+    |intro;simplify;apply le_n]
+  |apply (bool_elim ? (f n1))
+    [intro;rewrite > true_to_pi_p_Sn
+       [rewrite > true_to_sigma_p_Sn
+          [rewrite > true_to_sigma_p_Sn
+             [apply (trans_le ? (S ((log b (g n1)) + (log b (pi_p n1 f g)))))
+                [apply log_times;assumption
+                |rewrite > assoc_plus;
+                 change in \vdash (? ? %) with (S (sigma_p n1 f (\lambda x.S O)+(log b (g n1)+sigma_p n1 f (\lambda x.log b (g x)))));
+                 apply le_S_S;rewrite < assoc_plus;
+                 rewrite > sym_plus in \vdash (? ? (? % ?));
+                 rewrite > assoc_plus;apply le_plus;
+                   [apply le_n]]]]]
+     assumption
+    |intro;rewrite > false_to_pi_p_Sn
+       [rewrite > false_to_sigma_p_Sn
+          [rewrite > false_to_sigma_p_Sn]]
+     assumption]]
+qed.
+
+axiom daemon : False.
+(*
+lemma lt_log_to_lt : \forall b,m,n.S O < b \to log b m < log b n \to m < n.
+intros;apply not_le_to_lt;intro;elim (le_to_not_lt ? ? (le_log ? ? ? H H2));
+assumption.
+qed.
+
+theorem ababbs: \forall n,a,b.S O < b \to O < n \to n < exp b a \to log b n < a.
+intros;unfold log;apply not_le_to_lt;intro;apply (lt_to_not_le ? ? H2);
+elim (le_to_or_lt_eq ? ? H3)
+  [apply lt_to_le;apply (lt_log_to_lt b ? ? H);rewrite > eq_log_exp;assumption
+  |apply (trans_le ? (exp b (log b n)))
+     [rewrite < H4;apply le_n
+     |apply le_exp_log;assumption]]
+qed.
+
+theorem exp_exp_to_log : \forall b,n,k.S O < b \to
+exp b k \leq n \to n < exp b (S k) \to log b n = k.
+intros;unfold log;lapply (ababbs ? ? ? H ? H2)
+  [apply (trans_le ? ? ? ? H1);apply lt_O_exp
+  |unfold log in Hletin;lapply (le_to_leb_true ? ? H1);
+   lapply (f_m_to_le_max (λx:nat.leb ((b)\sup(x)) n) n ? ? Hletin1)
+     [
+  elim (le_to_or_lt_eq ? ? (le_S_S_to_le ? ? Hletin))
+     [unfold log in H3;
+]]elim daemon.
+qed.
+
+theorem xxx_log : \forall a,b.S O < b \to O < a \to log b (b*a) = S (log b a).
+intros 3;elim a
+  [elim (not_le_Sn_O ? H1);
+  |apply (inj_exp_r b)
+     [assumption
+     |*)
+
+theorem le_log_C2_sigma_p : \forall n,b. S O < b \to
+log b (C2 n) \leq 
+(sigma_p (S n) (\lambda x.(primeb x) \land (leb (S n) (x*x))) (\lambda x.S O)) +
+(prim n + (((sigma_p n (\lambda x.leb (S n) (x*x)) (\lambda i.prim i * S (n!/i)))
+  *(S (log b 3)))/n!)).
+intros;unfold C2;
+apply (trans_le ? (sigma_p (S n) (λx:nat.primeb x∧leb (S n) (x*x)) (λx:nat.1)
++sigma_p (S n) (λx:nat.primeb x∧leb (S n) (x*x))
+ (λi.log b (S (n/i)))))
+  [apply log_pi_p;assumption
+  |apply le_plus
+     [apply le_n
+     |apply (trans_le ? (sigma_p (S n) (λx:nat.primeb x∧leb (S n) (x*x)) (λi:nat.S (log b (n/i)))))
+        [apply le_sigma_p;intros;cut (log b (b*(n/i)) = S (log b (n/i)))
+           [rewrite < Hcut;apply le_log
+              [assumption
+              |elim H
+                 [rewrite < times_SSO_n;change in \vdash (? % ?) with (S O + (n/i));
+                  apply le_plus;
+                    [apply le_times_to_le_div
+                       [apply (prime_to_lt_O i (primeb_true_to_prime ? (andb_true_true ? ? H2)));
+                       |rewrite < times_n_SO;apply le_S_S_to_le;assumption]
+                    |apply le_n]
+                 |apply (trans_le ? ? ? H4);apply le_times_l;apply le_S;apply le_n]]
+           |rewrite > exp_n_SO in ⊢ (? ? (? ? (? % ?)) ?);
+            rewrite > log_exp;
+              [reflexivity
+              |assumption
+              |apply le_times_to_le_div; 
+                 [apply (prime_to_lt_O i (primeb_true_to_prime ? (andb_true_true ? ? H2)));
+                 |rewrite < times_n_SO;apply le_S_S_to_le;assumption]]]
+        |change in ⊢ (? (? ? ? (λi:?.%)) ?) with ((S O) + (log b (n/i)));
+         rewrite > (sigma_p_plus_1 ? (\lambda x.S O));
+         apply le_plus
+           [unfold prim;apply le_sigma_p1;intros;elim (leb (S n) (i*i));
+              [rewrite > andb_sym;apply le_n
+              |rewrite > andb_sym;apply le_O_n]
+           |apply sigma_p_log_div;assumption]]]]
+qed.
+lemma le_prim_n_stima : \forall n,b. S O < b \to b \leq n \to
+prim n \leq (S (((S (S (S (S O))))*(S (log b (pred n)))) + 
+              ((S (S (S (S O))))*n)))/(log b n).
+(* la stima del secondo addendo è ottenuta considerando che 
+   logreale 2 è sempre <= 1 (si dimostra per casi: b = 2, b > 2) *)
+intros;apply le_times_to_le_div;
+  [apply lt_O_log;
+     [apply (trans_le ? b)
+        [apply lt_to_le;assumption
+        |assumption]
+     |assumption]
+  |apply (trans_le ? (log b (exp n (prim n))))
+     [rewrite > sym_times;apply log_exp2
+        [assumption
+        |apply (trans_le ? b ? ? H1);apply lt_to_le;assumption]
+     |apply (trans_le ? (log b ((exp (pred n) (S (S (S (S O)))))
+                               *(exp (S (S O)) ((S (S (S (S O))))*n))))) 
+        [apply le_log
+           [assumption
+           |apply le_exp_primr;apply (trans_le ? ? ? H H1)]
+        |apply (trans_le ? (S ((log b (exp (pred n) (S (S (S (S O)))))) +
+                              (log b (exp (S (S O)) ((S (S (S (S O))))*n))))))
+           [apply log_times;assumption
+           |apply le_S_S;apply le_plus
+              [apply log_exp1;assumption
+              |cases H
+                 [rewrite > times_n_SO in \vdash (? (? ? %) ?);
+                  rewrite > log_exp
+                    [rewrite < plus_n_O;apply le_n
+                    |apply le_n
+                    |apply le_n]
+                 |apply (trans_le ? (((S (S (S (S O))))*n)*(S (log (S m) (S (S O))))))
+                    [apply log_exp1;apply le_S;assumption
+                    |rewrite > times_n_SO in \vdash (? ? %);
+                     apply le_times_r;apply le_S_S;
+                     rewrite > lt_to_log_O
+                       [apply le_n
+                       |apply lt_O_S
+                       |apply le_S_S;assumption]]]]]]]]
+qed.
+
+(*
+  
+theorem le_log_C2_stima : \forall n,b. S O < b \to
+log b (C2 n) \leq 
+(sigma_p (S n) (\lambda x.(primeb x) \land (leb (S n) (x*x))) (\lambda x.S O)) +
+(((S (((S (S (S (S O))))*(S (log b (pred n)))) + 
+              ((S (S (S (S O))))*n)))/(log b n)) + 
+ (((sigma_p n (\lambda x.leb (S n) (x*x)) 
+              (\lambda i.((S (((S (S (S (S O))))*(S (log b (pred n)))) + 
+              ((S (S (S (S O))))*n)))/(log b n))* S (n!/i)))
+  *(S (log b 3)))/n!)).
+elim daemon.
+  
+theorem le_log_C2_sigma_p : \forall n,b. S O < b \to
+log b (C2 n) \leq 
+(sigma_p (S n) (\lambda x.(primeb x) \land (leb (S n) (x*x))) (\lambda x.S O)) +
+(sigma_p (S n) (\lambda x.(primeb x) \land (leb (S n) (x*x))) 
+   (\lambda p.(sigma_p (n+p) (\lambda i.leb p i) 
+       (\lambda i.S ((n+p)!/i*(S (log b 3)))))/(n+p)!)).
+intros;unfold C2;
+apply (trans_le ? (sigma_p (S n) (λx:nat.primeb x∧leb (S n) (x*x)) (λx:nat.1)
++sigma_p (S n) (λx:nat.primeb x∧leb (S n) (x*x))
+ (λi.log b (S (n/i)))))
+  [apply log_pi_p;assumption
+  |apply le_plus
+     [apply le_n
+     |apply le_sigma_p;intros;cut (S (n/i) = (n+i)/i)
+        [rewrite > Hcut;apply le_log_div_sigma_p 
+           [assumption
+           |apply prime_to_lt_O;apply primeb_true_to_prime;
+            elim (and_true ? ? H2);assumption
+           |apply le_plus_n
+           |apply le_n]
+        |lapply (prime_to_lt_O i (primeb_true_to_prime ? (andb_true_true ? ? H2))) as H3;
+         apply (div_mod_spec_to_eq (n+i) i (S (n/i)) (n \mod i) ? ((n+i) \mod i))
+           [constructor 1
+              [apply lt_mod_m_m;assumption
+              |simplify;rewrite > assoc_plus;rewrite < div_mod;
+                 [apply sym_plus
+                 |assumption]]
+           |apply div_mod_spec_div_mod;assumption]]]]
+qed.
+*)
+
+definition sqrt \def
+  \lambda n.max n (\lambda x.leb (x*x) n).
+  
+theorem le_sqrt_to_le_times_l : \forall m,n.n \leq sqrt m \to n*n \leq m.
+intros;apply (trans_le ? (sqrt m * sqrt m))
+  [apply le_times;assumption
+  |apply leb_true_to_le;apply (f_max_true (λx:nat.leb (x*x) m) m);
+   apply (ex_intro ? ? O);split
+     [apply le_O_n
+     |simplify;reflexivity]]
+qed.
+
+theorem le_sqrt_to_le_times_r : \forall m,n.sqrt m < n \to m < n*n.
+intros;apply not_le_to_lt;intro;
+apply ((leb_false_to_not_le ? ? 
+           (lt_max_to_false (\lambda x.leb (x*x) m) m n H ?))
+         H1);
+apply (trans_le ? ? ? ? H1);cases n
+  [apply le_n
+  |rewrite > times_n_SO in \vdash (? % ?);rewrite > sym_times;apply le_times
+     [apply le_S_S;apply le_O_n
+     |apply le_n]]
+qed.
+  
+theorem eq_theta_pi_sqrt_C1 : \forall n. theta_pi (sqrt n) = C1 n.
+intro;unfold theta_pi;unfold C1;rewrite > (false_to_eq_pi_p (S (sqrt n)) (S n))
+  [generalize in match (le_sqrt_to_le_times_l n);elim (sqrt n)
+     [simplify;reflexivity
+     |apply (bool_elim ? (primeb (S n1)))
+        [intro;rewrite > true_to_pi_p_Sn
+           [rewrite > true_to_pi_p_Sn in \vdash (? ? ? %)
+              [apply eq_f2
+                 [reflexivity
+                 |apply H;intros;apply H1;apply le_S;assumption]
+              |apply (andb_elim (primeb (S n1)) (leb (S n1 * S n1) n));
+               rewrite > H2;whd;apply le_to_leb_true;apply H1;apply le_n]
+           |assumption]
+        |intro;rewrite > false_to_pi_p_Sn
+           [rewrite > false_to_pi_p_Sn in \vdash (? ? ? %)
+              [apply H;intros;apply H1;apply le_S;assumption
+              |apply (andb_elim (primeb (S n1)) (leb (S n1 * S n1) n));
+               rewrite > H2;whd;reflexivity]
+           |assumption]]]
+  |apply le_S_S;unfold sqrt;apply le_max_n
+  |intros;apply (andb_elim (primeb i) (leb (i*i) n));elim (primeb i);simplify
+     [rewrite > lt_to_leb_false
+        [reflexivity
+        |apply le_sqrt_to_le_times_r;assumption]
+     |reflexivity]]
+qed.
index 6dbbfd572a2ac824de1d69bff781d06eb18009cc..211df69d0fa0d9941a9dcf14bebca51e1812ffda 100644 (file)
@@ -629,32 +629,33 @@ elim n
 qed.
 
 theorem sigma_p_plus_1: \forall n:nat. \forall f,g:nat \to nat.
-sigma_p n (\lambda b:nat. true) (\lambda a:nat.(f a) + (g a)) = 
-sigma_p n (\lambda b:nat. true) f + sigma_p n (\lambda b:nat. true) g.
+\forall p.
+sigma_p n p (\lambda a:nat.(f a) + (g a)) = 
+sigma_p n p f + sigma_p n p g.
 intros.
 elim n
 [ simplify.
   reflexivity
-| rewrite > true_to_sigma_p_Sn
-  [ rewrite > (true_to_sigma_p_Sn n1 (\lambda c:nat.true) f)
-    [ rewrite > (true_to_sigma_p_Sn n1 (\lambda c:nat.true) g)
-      [ rewrite > assoc_plus in \vdash (? ? ? %).
-        rewrite < assoc_plus in \vdash (? ? ? (? ? %)).
-        rewrite < sym_plus in \vdash (? ? ? (? ? (? % ?))).
-        rewrite > assoc_plus in \vdash (? ? ? (? ? %)).
-        rewrite < assoc_plus in \vdash (? ? ? %).
-        apply eq_f.
-        assumption
-      | reflexivity
-      ]
-    | reflexivity
-    ]
-  | reflexivity
-  ]
-]
+| apply (bool_elim ? (p n1)); intro;
+  [ rewrite > true_to_sigma_p_Sn
+    [ rewrite > (true_to_sigma_p_Sn n1 p f)
+      [ rewrite > (true_to_sigma_p_Sn n1 p g)
+        [ rewrite > assoc_plus in \vdash (? ? ? %).
+          rewrite < assoc_plus in \vdash (? ? ? (? ? %)).
+          rewrite < sym_plus in \vdash (? ? ? (? ? (? % ?))).
+          rewrite > assoc_plus in \vdash (? ? ? (? ? %)).
+          rewrite < assoc_plus in \vdash (? ? ? %).
+          apply eq_f.
+          assumption]]]
+   assumption
+ | rewrite > false_to_sigma_p_Sn
+    [ rewrite > (false_to_sigma_p_Sn n1 p f)
+      [ rewrite > (false_to_sigma_p_Sn n1 p g)
+        [assumption]]]
+   assumption
+]]
 qed.
 
-
 theorem eq_sigma_p_sigma_p_times1 : \forall n,m:nat.\forall f:nat \to nat.
 sigma_p (n*m) (\lambda x:nat.true) f =
 sigma_p m (\lambda x:nat.true)