]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - matita/library/nat/primes.ma
experimental branch with no set baseuri command and no developments
[helm.git] / matita / library / nat / primes.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
16
17 include "nat/div_and_mod.ma".
18 include "nat/minimization.ma".
19 include "nat/sigma_and_pi.ma".
20 include "nat/factorial.ma".
21
22 inductive divides (n,m:nat) : Prop \def
23 witness : \forall p:nat.m = times n p \to divides n m.
24
25 interpretation "divides" 'divides n m = (cic:/matita/nat/primes/divides.ind#xpointer(1/1) n m).
26 interpretation "not divides" 'ndivides n m =
27  (cic:/matita/logic/connectives/Not.con (cic:/matita/nat/primes/divides.ind#xpointer(1/1) n m)).
28
29 theorem reflexive_divides : reflexive nat divides.
30 unfold reflexive.
31 intros.
32 exact (witness x x (S O) (times_n_SO x)).
33 qed.
34
35 theorem divides_to_div_mod_spec :
36 \forall n,m. O < n \to n \divides m \to div_mod_spec m n (m / n) O.
37 intros.elim H1.rewrite > H2.
38 constructor 1.assumption.
39 apply (lt_O_n_elim n H).intros.
40 rewrite < plus_n_O.
41 rewrite > div_times.apply sym_times.
42 qed.
43
44 theorem div_mod_spec_to_divides :
45 \forall n,m,p. div_mod_spec m n p O \to n \divides m.
46 intros.elim H.
47 apply (witness n m p).
48 rewrite < sym_times.
49 rewrite > (plus_n_O (p*n)).assumption.
50 qed.
51
52 theorem divides_to_mod_O:
53 \forall n,m. O < n \to n \divides m \to (m \mod n) = O.
54 intros.apply (div_mod_spec_to_eq2 m n (m / n) (m \mod n) (m / n) O).
55 apply div_mod_spec_div_mod.assumption.
56 apply divides_to_div_mod_spec.assumption.assumption.
57 qed.
58
59 theorem mod_O_to_divides:
60 \forall n,m. O< n \to (m \mod n) = O \to  n \divides m.
61 intros.
62 apply (witness n m (m / n)).
63 rewrite > (plus_n_O (n * (m / n))).
64 rewrite < H1.
65 rewrite < sym_times.
66 (* Andrea: perche' hint non lo trova ?*)
67 apply div_mod.
68 assumption.
69 qed.
70
71 theorem divides_n_O: \forall n:nat. n \divides O.
72 intro. apply (witness n O O).apply times_n_O.
73 qed.
74
75 theorem divides_n_n: \forall n:nat. n \divides n.
76 intro. apply (witness n n (S O)).apply times_n_SO.
77 qed.
78
79 theorem divides_SO_n: \forall n:nat. (S O) \divides n.
80 intro. apply (witness (S O) n n). simplify.apply plus_n_O.
81 qed.
82
83 theorem divides_plus: \forall n,p,q:nat. 
84 n \divides p \to n \divides q \to n \divides p+q.
85 intros.
86 elim H.elim H1. apply (witness n (p+q) (n2+n1)).
87 rewrite > H2.rewrite > H3.apply sym_eq.apply distr_times_plus.
88 qed.
89
90 theorem divides_minus: \forall n,p,q:nat. 
91 divides n p \to divides n q \to divides n (p-q).
92 intros.
93 elim H.elim H1. apply (witness n (p-q) (n2-n1)).
94 rewrite > H2.rewrite > H3.apply sym_eq.apply distr_times_minus.
95 qed.
96
97 theorem divides_times: \forall n,m,p,q:nat. 
98 n \divides p \to m \divides q \to n*m \divides p*q.
99 intros.
100 elim H.elim H1. apply (witness (n*m) (p*q) (n2*n1)).
101 rewrite > H2.rewrite > H3.
102 apply (trans_eq nat ? (n*(m*(n2*n1)))).
103 apply (trans_eq nat ? (n*(n2*(m*n1)))).
104 apply assoc_times.
105 apply eq_f.
106 apply (trans_eq nat ? ((n2*m)*n1)).
107 apply sym_eq. apply assoc_times.
108 rewrite > (sym_times n2 m).apply assoc_times.
109 apply sym_eq. apply assoc_times.
110 qed.
111
112 theorem transitive_divides: transitive ? divides.
113 unfold.
114 intros.
115 elim H.elim H1. apply (witness x z (n2*n)).
116 rewrite > H3.rewrite > H2.
117 apply assoc_times.
118 qed.
119
120 variant trans_divides: \forall n,m,p. 
121  n \divides m \to m \divides p \to n \divides p \def transitive_divides.
122
123 theorem eq_mod_to_divides:\forall n,m,p. O< p \to
124 mod n p = mod m p \to divides p (n-m).
125 intros.
126 cut (n \le m \or \not n \le m).
127 elim Hcut.
128 cut (n-m=O).
129 rewrite > Hcut1.
130 apply (witness p O O).
131 apply times_n_O.
132 apply eq_minus_n_m_O.
133 assumption.
134 apply (witness p (n-m) ((div n p)-(div m p))).
135 rewrite > distr_times_minus.
136 rewrite > sym_times.
137 rewrite > (sym_times p).
138 cut ((div n p)*p = n - (mod n p)).
139 rewrite > Hcut1.
140 rewrite > eq_minus_minus_minus_plus.
141 rewrite > sym_plus.
142 rewrite > H1.
143 rewrite < div_mod.reflexivity.
144 assumption.
145 apply sym_eq.
146 apply plus_to_minus.
147 rewrite > sym_plus.
148 apply div_mod.
149 assumption.
150 apply (decidable_le n m).
151 qed.
152
153 theorem antisymmetric_divides: antisymmetric nat divides.
154 unfold antisymmetric.intros.elim H. elim H1.
155 apply (nat_case1 n2).intro.
156 rewrite > H3.rewrite > H2.rewrite > H4.
157 rewrite < times_n_O.reflexivity.
158 intros.
159 apply (nat_case1 n).intro.
160 rewrite > H2.rewrite > H3.rewrite > H5.
161 rewrite < times_n_O.reflexivity.
162 intros.
163 apply antisymmetric_le.
164 rewrite > H2.rewrite > times_n_SO in \vdash (? % ?).
165 apply le_times_r.rewrite > H4.apply le_S_S.apply le_O_n.
166 rewrite > H3.rewrite > times_n_SO in \vdash (? % ?).
167 apply le_times_r.rewrite > H5.apply le_S_S.apply le_O_n.
168 qed.
169
170 (* divides le *)
171 theorem divides_to_le : \forall n,m. O < m \to n \divides m \to n \le m.
172 intros. elim H1.rewrite > H2.cut (O < n2).
173 apply (lt_O_n_elim n2 Hcut).intro.rewrite < sym_times.
174 simplify.rewrite < sym_plus.
175 apply le_plus_n.
176 elim (le_to_or_lt_eq O n2).
177 assumption.
178 absurd (O<m).assumption.
179 rewrite > H2.rewrite < H3.rewrite < times_n_O.
180 apply (not_le_Sn_n O).
181 apply le_O_n.
182 qed.
183
184 theorem divides_to_lt_O : \forall n,m. O < m \to n \divides m \to O < n.
185 intros.elim H1.
186 elim (le_to_or_lt_eq O n (le_O_n n)).
187 assumption.
188 rewrite < H3.absurd (O < m).assumption.
189 rewrite > H2.rewrite < H3.
190 simplify.exact (not_le_Sn_n O).
191 qed.
192
193 (*a variant of or_div_mod *)
194 theorem or_div_mod1: \forall n,q. O < q \to
195 (divides q (S n)) \land S n = (S (div n q)) * q \lor
196 (\lnot (divides q (S n)) \land S n= (div n q) * q + S (n\mod q)).
197 intros.elim (or_div_mod n q H);elim H1
198   [left.split
199     [apply (witness ? ? (S (n/q))).
200      rewrite > sym_times.assumption
201     |assumption
202     ]
203   |right.split
204     [intro.
205      apply (not_eq_O_S (n \mod q)).
206      (* come faccio a fare unfold nelleipotesi ? *)
207      cut ((S n) \mod q = O)
208       [rewrite < Hcut.
209        apply (div_mod_spec_to_eq2 (S n) q (div (S n) q) (mod (S n) q) (div n q) (S (mod n q)))
210         [apply div_mod_spec_div_mod.
211          assumption
212         |apply div_mod_spec_intro;assumption
213         ]
214       |apply divides_to_mod_O;assumption
215       ]
216     |assumption
217     ]
218   ]
219 qed.
220
221 theorem divides_to_div: \forall n,m.divides n m \to m/n*n = m.
222 intro.
223 elim (le_to_or_lt_eq O n (le_O_n n))
224   [rewrite > plus_n_O.
225    rewrite < (divides_to_mod_O ? ? H H1).
226    apply sym_eq.
227    apply div_mod.
228    assumption
229   |elim H1.
230    generalize in match H2.
231    rewrite < H.
232    simplify.
233    intro.
234    rewrite > H3.
235    reflexivity
236   ]
237 qed.
238
239 theorem divides_div: \forall d,n. divides d n \to divides (n/d) n.
240 intros.
241 apply (witness ? ? d).
242 apply sym_eq.
243 apply divides_to_div.
244 assumption.
245 qed.
246
247 theorem div_div: \forall n,d:nat. O < n \to divides d n \to 
248 n/(n/d) = d.
249 intros.
250 apply (inj_times_l1 (n/d))
251   [apply (lt_times_n_to_lt d)
252     [apply (divides_to_lt_O ? ? H H1).
253     |rewrite > divides_to_div;assumption
254     ]
255   |rewrite > divides_to_div
256     [rewrite > sym_times.
257      rewrite > divides_to_div
258       [reflexivity
259       |assumption
260       ]
261     |apply (witness ? ? d).
262      apply sym_eq.
263      apply divides_to_div.
264      assumption
265     ]
266   ]
267 qed.
268
269 theorem divides_to_eq_times_div_div_times: \forall a,b,c:nat.
270 O \lt b \to c \divides b \to a * (b /c) = (a*b)/c.
271 intros.
272 elim H1.
273 rewrite > H2.
274 rewrite > (sym_times c n2).
275 cut(O \lt c)
276 [ rewrite > (lt_O_to_div_times n2 c)
277   [ rewrite < assoc_times.
278     rewrite > (lt_O_to_div_times (a *n2) c)
279     [ reflexivity
280     | assumption
281     ]
282   | assumption
283   ]  
284 | apply (divides_to_lt_O c b);
285     assumption.
286 ]
287 qed.
288
289 theorem eq_div_plus: \forall n,m,d. O < d \to
290 divides d n \to divides d m \to
291 (n + m ) / d = n/d + m/d.
292 intros.
293 elim H1.
294 elim H2.
295 rewrite > H3.rewrite > H4.
296 rewrite < distr_times_plus.
297 rewrite > sym_times.
298 rewrite > sym_times in âŠ¢ (? ? ? (? (? % ?) ?)).
299 rewrite > sym_times in âŠ¢ (? ? ? (? ? (? % ?))).
300 rewrite > lt_O_to_div_times
301   [rewrite > lt_O_to_div_times
302     [rewrite > lt_O_to_div_times
303       [reflexivity
304       |assumption
305       ]
306     |assumption
307     ]
308   |assumption
309   ]
310 qed.
311
312 (* boolean divides *)
313 definition divides_b : nat \to nat \to bool \def
314 \lambda n,m :nat. (eqb (m \mod n) O).
315
316 theorem divides_b_to_Prop :
317 \forall n,m:nat. O < n \to
318 match divides_b n m with
319 [ true \Rightarrow n \divides m
320 | false \Rightarrow n \ndivides m].
321 intros.unfold divides_b.
322 apply eqb_elim.
323 intro.simplify.apply mod_O_to_divides.assumption.assumption.
324 intro.simplify.unfold Not.intro.apply H1.apply divides_to_mod_O.assumption.assumption.
325 qed.
326
327 theorem divides_b_true_to_divides1:
328 \forall n,m:nat. O < n \to
329 (divides_b n m = true ) \to n \divides m.
330 intros.
331 change with 
332 match true with
333 [ true \Rightarrow n \divides m
334 | false \Rightarrow n \ndivides m].
335 rewrite < H1.apply divides_b_to_Prop.
336 assumption.
337 qed.
338
339 theorem divides_b_true_to_divides:
340 \forall n,m:nat. divides_b n m = true \to n \divides m.
341 intros 2.apply (nat_case n)
342   [apply (nat_case m)
343     [intro.apply divides_n_n
344     |simplify.intros.apply False_ind.
345      apply not_eq_true_false.apply sym_eq.
346      assumption
347     ]
348   |intros.
349    apply divides_b_true_to_divides1
350     [apply lt_O_S|assumption]
351   ]
352 qed.
353
354 theorem divides_b_false_to_not_divides1:
355 \forall n,m:nat. O < n \to
356 (divides_b n m = false ) \to n \ndivides m.
357 intros.
358 change with 
359 match false with
360 [ true \Rightarrow n \divides m
361 | false \Rightarrow n \ndivides m].
362 rewrite < H1.apply divides_b_to_Prop.
363 assumption.
364 qed.
365
366 theorem divides_b_false_to_not_divides:
367 \forall n,m:nat. divides_b n m = false \to n \ndivides m.
368 intros 2.apply (nat_case n)
369   [apply (nat_case m)
370     [simplify.unfold Not.intros.
371      apply not_eq_true_false.assumption
372     |unfold Not.intros.elim H1.
373      apply (not_eq_O_S m1).apply sym_eq.
374      assumption
375     ]
376   |intros.
377    apply divides_b_false_to_not_divides1
378     [apply lt_O_S|assumption]
379   ]
380 qed.
381
382 theorem decidable_divides: \forall n,m:nat.O < n \to
383 decidable (n \divides m).
384 intros.unfold decidable.
385 cut 
386 (match divides_b n m with
387 [ true \Rightarrow n \divides m
388 | false \Rightarrow n \ndivides m] \to n \divides m \lor n \ndivides m).
389 apply Hcut.apply divides_b_to_Prop.assumption.
390 elim (divides_b n m).left.apply H1.right.apply H1.
391 qed.
392
393 theorem divides_to_divides_b_true : \forall n,m:nat. O < n \to
394 n \divides m \to divides_b n m = true.
395 intros.
396 cut (match (divides_b n m) with
397 [ true \Rightarrow n \divides m
398 | false \Rightarrow n \ndivides m] \to ((divides_b n m) = true)).
399 apply Hcut.apply divides_b_to_Prop.assumption.
400 elim (divides_b n m).reflexivity.
401 absurd (n \divides m).assumption.assumption.
402 qed.
403
404 theorem divides_to_divides_b_true1 : \forall n,m:nat.
405 O < m \to n \divides m \to divides_b n m = true.
406 intro.
407 elim (le_to_or_lt_eq O n (le_O_n n))
408   [apply divides_to_divides_b_true
409     [assumption|assumption]
410   |apply False_ind.
411    rewrite < H in H2.
412    elim H2.
413    simplify in H3.
414    apply (not_le_Sn_O O).
415    rewrite > H3 in H1.
416    assumption
417   ]
418 qed.
419
420 theorem not_divides_to_divides_b_false: \forall n,m:nat. O < n \to
421 \lnot(n \divides m) \to (divides_b n m) = false.
422 intros.
423 cut (match (divides_b n m) with
424 [ true \Rightarrow n \divides m
425 | false \Rightarrow n \ndivides m] \to ((divides_b n m) = false)).
426 apply Hcut.apply divides_b_to_Prop.assumption.
427 elim (divides_b n m).
428 absurd (n \divides m).assumption.assumption.
429 reflexivity.
430 qed.
431
432 theorem divides_b_div_true: 
433 \forall d,n. O < n \to 
434   divides_b d n = true \to divides_b (n/d) n = true.
435 intros.
436 apply divides_to_divides_b_true1
437   [assumption
438   |apply divides_div.
439    apply divides_b_true_to_divides.
440    assumption
441   ]
442 qed.
443
444 theorem divides_b_true_to_lt_O: \forall n,m. O < n \to divides_b m n = true \to O < m.
445 intros.
446 elim (le_to_or_lt_eq ? ? (le_O_n m))
447   [assumption
448   |apply False_ind.
449    elim H1.
450    rewrite < H2 in H1.
451    simplify in H1.
452    apply (lt_to_not_eq O n H).
453    apply sym_eq.
454    apply eqb_true_to_eq.
455    assumption
456   ]
457 qed.
458
459 (* divides and pi *)
460 theorem divides_f_pi_f : \forall f:nat \to nat.\forall n,m,i:nat. 
461 m \le i \to i \le n+m \to f i \divides pi n f m.
462 intros 5.elim n.simplify.
463 cut (i = m).rewrite < Hcut.apply divides_n_n.
464 apply antisymmetric_le.assumption.assumption.
465 simplify.
466 cut (i < S n1+m \lor i = S n1 + m).
467 elim Hcut.
468 apply (transitive_divides ? (pi n1 f m)).
469 apply H1.apply le_S_S_to_le. assumption.
470 apply (witness ? ? (f (S n1+m))).apply sym_times.
471 rewrite > H3.
472 apply (witness ? ? (pi n1 f m)).reflexivity.
473 apply le_to_or_lt_eq.assumption.
474 qed.
475
476 (*
477 theorem mod_S_pi: \forall f:nat \to nat.\forall n,i:nat. 
478 i < n \to (S O) < (f i) \to (S (pi n f)) \mod (f i) = (S O).
479 intros.cut (pi n f) \mod (f i) = O.
480 rewrite < Hcut.
481 apply mod_S.apply trans_lt O (S O).apply le_n (S O).assumption.
482 rewrite > Hcut.assumption.
483 apply divides_to_mod_O.apply trans_lt O (S O).apply le_n (S O).assumption.
484 apply divides_f_pi_f.assumption.
485 qed.
486 *)
487
488 (* divides and fact *)
489 theorem divides_fact : \forall n,i:nat. 
490 O < i \to i \le n \to i \divides n!.
491 intros 3.elim n.absurd (O<i).assumption.apply (le_n_O_elim i H1).
492 apply (not_le_Sn_O O).
493 change with (i \divides (S n1)*n1!).
494 apply (le_n_Sm_elim i n1 H2).
495 intro.
496 apply (transitive_divides ? n1!).
497 apply H1.apply le_S_S_to_le. assumption.
498 apply (witness ? ? (S n1)).apply sym_times.
499 intro.
500 rewrite > H3.
501 apply (witness ? ? n1!).reflexivity.
502 qed.
503
504 theorem mod_S_fact: \forall n,i:nat. 
505 (S O) < i \to i \le n \to (S n!) \mod i = (S O).
506 intros.cut (n! \mod i = O).
507 rewrite < Hcut.
508 apply mod_S.apply (trans_lt O (S O)).apply (le_n (S O)).assumption.
509 rewrite > Hcut.assumption.
510 apply divides_to_mod_O.apply (trans_lt O (S O)).apply (le_n (S O)).assumption.
511 apply divides_fact.apply (trans_lt O (S O)).apply (le_n (S O)).assumption.
512 assumption.
513 qed.
514
515 theorem not_divides_S_fact: \forall n,i:nat. 
516 (S O) < i \to i \le n \to i \ndivides S n!.
517 intros.
518 apply divides_b_false_to_not_divides.
519 unfold divides_b.
520 rewrite > mod_S_fact[simplify.reflexivity|assumption|assumption].
521 qed.
522
523 (* prime *)
524 definition prime : nat \to  Prop \def
525 \lambda n:nat. (S O) < n \land 
526 (\forall m:nat. m \divides n \to (S O) < m \to  m = n).
527
528 theorem not_prime_O: \lnot (prime O).
529 unfold Not.unfold prime.intro.elim H.apply (not_le_Sn_O (S O) H1).
530 qed.
531
532 theorem not_prime_SO: \lnot (prime (S O)).
533 unfold Not.unfold prime.intro.elim H.apply (not_le_Sn_n (S O) H1).
534 qed.
535
536 theorem prime_to_lt_O: \forall p. prime p \to O < p.
537 intros.elim H.apply lt_to_le.assumption.
538 qed.
539
540 theorem prime_to_lt_SO: \forall p. prime p \to S O < p.
541 intros.elim H.
542 assumption.
543 qed.
544
545 (* smallest factor *)
546 definition smallest_factor : nat \to nat \def
547 \lambda n:nat. 
548 match n with
549 [ O \Rightarrow O
550 | (S p) \Rightarrow 
551   match p with
552   [ O \Rightarrow (S O)
553   | (S q) \Rightarrow min_aux q (S (S O)) (\lambda m.(eqb ((S(S q)) \mod m) O))]].
554
555 (* it works !
556 theorem example1 : smallest_factor (S(S(S O))) = (S(S(S O))).
557 normalize.reflexivity.
558 qed.
559
560 theorem example2: smallest_factor (S(S(S(S O)))) = (S(S O)).
561 normalize.reflexivity.
562 qed.
563
564 theorem example3 : smallest_factor (S(S(S(S(S(S(S O))))))) = (S(S(S(S(S(S(S O))))))).
565 simplify.reflexivity.
566 qed. *)
567
568 theorem lt_SO_smallest_factor: 
569 \forall n:nat. (S O) < n \to (S O) < (smallest_factor n).
570 intro.
571 apply (nat_case n).intro.apply False_ind.apply (not_le_Sn_O (S O) H).
572 intro.apply (nat_case m).intro. apply False_ind.apply (not_le_Sn_n (S O) H).
573 intros.
574 change with 
575 (S O < min_aux m1 (S (S O)) (\lambda m.(eqb ((S(S m1)) \mod m) O))).
576 apply (lt_to_le_to_lt ? (S (S O))).
577 apply (le_n (S(S O))).
578 cut ((S(S O)) = (S(S m1)) - m1).
579 rewrite > Hcut.
580 apply le_min_aux.
581 apply sym_eq.apply plus_to_minus.
582 rewrite < sym_plus.simplify.reflexivity.
583 qed.
584
585 theorem lt_O_smallest_factor: \forall n:nat. O < n \to O < (smallest_factor n).
586 intro.
587 apply (nat_case n).intro.apply False_ind.apply (not_le_Sn_n O H).
588 intro.apply (nat_case m).intro.
589 simplify.unfold lt.apply le_n.
590 intros.apply (trans_lt ? (S O)).
591 unfold lt.apply le_n.
592 apply lt_SO_smallest_factor.unfold lt. apply le_S_S.
593 apply le_S_S.apply le_O_n.
594 qed.
595
596 theorem divides_smallest_factor_n : 
597 \forall n:nat. O < n \to smallest_factor n \divides n.
598 intro.
599 apply (nat_case n).intro.apply False_ind.apply (not_le_Sn_O O H).
600 intro.apply (nat_case m).intro. simplify.
601 apply (witness ? ? (S O)). simplify.reflexivity.
602 intros.
603 apply divides_b_true_to_divides.
604 change with 
605 (eqb ((S(S m1)) \mod (min_aux m1 (S (S O)) 
606   (\lambda m.(eqb ((S(S m1)) \mod m) O)))) O = true).
607 apply f_min_aux_true.
608 apply (ex_intro nat ? (S(S m1))).
609 split.split.
610 apply (le_S_S_to_le (S (S O)) (S (S m1)) ?).
611 apply (minus_le_O_to_le (S (S (S O))) (S (S (S m1))) ?).
612 apply (le_n O).
613 rewrite < sym_plus. simplify. apply le_n.
614 apply (eq_to_eqb_true (mod (S (S m1)) (S (S m1))) O ?).
615 apply (mod_n_n (S (S m1)) ?).
616 apply (H).
617 qed.
618   
619 theorem le_smallest_factor_n : 
620 \forall n:nat. smallest_factor n \le n.
621 intro.apply (nat_case n).simplify.apply le_n.
622 intro.apply (nat_case m).simplify.apply le_n.
623 intro.apply divides_to_le.
624 unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.
625 apply divides_smallest_factor_n.
626 unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.
627 qed.
628
629 theorem lt_smallest_factor_to_not_divides: \forall n,i:nat. 
630 (S O) < n \to (S O) < i \to i < (smallest_factor n) \to i \ndivides n.
631 intros 2.
632 apply (nat_case n).intro.apply False_ind.apply (not_le_Sn_O (S O) H).
633 intro.apply (nat_case m).intro. apply False_ind.apply (not_le_Sn_n (S O) H).
634 intros.
635 apply divides_b_false_to_not_divides.
636 apply (lt_min_aux_to_false 
637 (\lambda i:nat.eqb ((S(S m1)) \mod i) O) (S (S O)) m1 i).
638 assumption.
639 assumption.
640 qed.
641
642 theorem prime_smallest_factor_n : 
643 \forall n:nat. (S O) < n \to prime (smallest_factor n).
644 intro.change with ((S(S O)) \le n \to (S O) < (smallest_factor n) \land 
645 (\forall m:nat. m \divides smallest_factor n \to (S O) < m \to  m = (smallest_factor n))).
646 intro.split.
647 apply lt_SO_smallest_factor.assumption.
648 intros.
649 cut (le m (smallest_factor n)).
650 elim (le_to_or_lt_eq m (smallest_factor n) Hcut).
651 absurd (m \divides n).
652 apply (transitive_divides m (smallest_factor n)).
653 assumption.
654 apply divides_smallest_factor_n.
655 apply (trans_lt ? (S O)). unfold lt. apply le_n. exact H.
656 apply lt_smallest_factor_to_not_divides.
657 exact H.assumption.assumption.assumption.
658 apply divides_to_le.
659 apply (trans_lt O (S O)).
660 apply (le_n (S O)).
661 apply lt_SO_smallest_factor.
662 exact H.
663 assumption.
664 qed.
665
666 theorem prime_to_smallest_factor: \forall n. prime n \to
667 smallest_factor n = n.
668 intro.apply (nat_case n).intro.apply False_ind.apply (not_prime_O H).
669 intro.apply (nat_case m).intro.apply False_ind.apply (not_prime_SO H).
670 intro.
671 change with 
672 ((S O) < (S(S m1)) \land 
673 (\forall m:nat. m \divides S(S m1) \to (S O) < m \to  m = (S(S m1))) \to 
674 smallest_factor (S(S m1)) = (S(S m1))).
675 intro.elim H.apply H2.
676 apply divides_smallest_factor_n.
677 apply (trans_lt ? (S O)).unfold lt. apply le_n.assumption.
678 apply lt_SO_smallest_factor.
679 assumption.
680 qed.
681
682 (* a number n > O is prime iff its smallest factor is n *)
683 definition primeb \def \lambda n:nat.
684 match n with
685 [ O \Rightarrow false
686 | (S p) \Rightarrow
687   match p with
688   [ O \Rightarrow false
689   | (S q) \Rightarrow eqb (smallest_factor (S(S q))) (S(S q))]].
690
691 (* it works! 
692 theorem example4 : primeb (S(S(S O))) = true.
693 normalize.reflexivity.
694 qed.
695
696 theorem example5 : primeb (S(S(S(S(S(S O)))))) = false.
697 normalize.reflexivity.
698 qed.
699
700 theorem example6 : primeb (S(S(S(S((S(S(S(S(S(S(S O)))))))))))) = true.
701 normalize.reflexivity.
702 qed.
703
704 theorem example7 : primeb (S(S(S(S(S(S((S(S(S(S((S(S(S(S(S(S(S O))))))))))))))))))) = true.
705 normalize.reflexivity.
706 qed. *)
707
708 theorem primeb_to_Prop: \forall n.
709 match primeb n with
710 [ true \Rightarrow prime n
711 | false \Rightarrow \lnot (prime n)].
712 intro.
713 apply (nat_case n).simplify.unfold Not.unfold prime.intro.elim H.apply (not_le_Sn_O (S O) H1).
714 intro.apply (nat_case m).simplify.unfold Not.unfold prime.intro.elim H.apply (not_le_Sn_n (S O) H1).
715 intro.
716 change with 
717 match eqb (smallest_factor (S(S m1))) (S(S m1)) with
718 [ true \Rightarrow prime (S(S m1))
719 | false \Rightarrow \lnot (prime (S(S m1)))].
720 apply (eqb_elim (smallest_factor (S(S m1))) (S(S m1))).
721 intro.simplify.
722 rewrite < H.
723 apply prime_smallest_factor_n.
724 unfold lt.apply le_S_S.apply le_S_S.apply le_O_n.
725 intro.simplify.
726 change with (prime (S(S m1)) \to False).
727 intro.apply H.
728 apply prime_to_smallest_factor.
729 assumption.
730 qed.
731
732 theorem primeb_true_to_prime : \forall n:nat.
733 primeb n = true \to prime n.
734 intros.change with
735 match true with 
736 [ true \Rightarrow prime n
737 | false \Rightarrow \lnot (prime n)].
738 rewrite < H.
739 apply primeb_to_Prop.
740 qed.
741
742 theorem primeb_false_to_not_prime : \forall n:nat.
743 primeb n = false \to \lnot (prime n).
744 intros.change with
745 match false with 
746 [ true \Rightarrow prime n
747 | false \Rightarrow \lnot (prime n)].
748 rewrite < H.
749 apply primeb_to_Prop.
750 qed.
751
752 theorem decidable_prime : \forall n:nat.decidable (prime n).
753 intro.unfold decidable.
754 cut 
755 (match primeb n with
756 [ true \Rightarrow prime n
757 | false \Rightarrow \lnot (prime n)] \to (prime n) \lor \lnot (prime n)).
758 apply Hcut.apply primeb_to_Prop.
759 elim (primeb n).left.apply H.right.apply H.
760 qed.
761
762 theorem prime_to_primeb_true: \forall n:nat. 
763 prime n \to primeb n = true.
764 intros.
765 cut (match (primeb n) with
766 [ true \Rightarrow prime n
767 | false \Rightarrow \lnot (prime n)] \to ((primeb n) = true)).
768 apply Hcut.apply primeb_to_Prop.
769 elim (primeb n).reflexivity.
770 absurd (prime n).assumption.assumption.
771 qed.
772
773 theorem not_prime_to_primeb_false: \forall n:nat. 
774 \lnot(prime n) \to primeb n = false.
775 intros.
776 cut (match (primeb n) with
777 [ true \Rightarrow prime n
778 | false \Rightarrow \lnot (prime n)] \to ((primeb n) = false)).
779 apply Hcut.apply primeb_to_Prop.
780 elim (primeb n).
781 absurd (prime n).assumption.assumption.
782 reflexivity.
783 qed.
784