weblib/tutorial/chapter4.ma

   1 (*
   2 \ 5h1 class="section"\ 6Naif Set Theory\ 5/h1\ 6
   3 *)
   4 include "basics/types.ma".
   5 include "basics/bool.ma".
   6 (*
   7 In this Chapter we shall develop a naif theory of sets represented as
   8 characteristic predicates over some universe \ 5code\ 6A\ 5/code\ 6, that is as objects of type
   9 A→Prop.
  10 For instance the empty set is defined by the always false function: *)
  11
  12 definition empty_set ≝ λA:Type[0].λa:A.\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/False.ind(1,0,0)"\ 6False\ 5/a\ 6.
  13 notation "\emptyv" non associative with precedence 90 for @{'empty_set}.
  14 interpretation "empty set" 'empty_set = (empty_set ?).
  15
  16 (* Similarly, a singleton set contaning containing an element a, is defined
  17 by by the characteristic function asserting equality with a *)
  18
  19 definition singleton ≝ λA.λx,a:A.x\ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6\ 5span class="error" title="Parse error: [term] expected after [sym=] (in [term])"\ 6\ 5/span\ 6a.
  20 (* notation "{x}" non associative with precedence 90 for @{'sing_lang $x}. *)
  21 interpretation "singleton" 'singl x = (singleton ? x).
  22
  23 (* The membership relation between an element of type A and a set S:A →Prop is
  24 simply the predicate resulting from the application of S to a.
  25 The operations of union, intersection, complement and substraction
  26 are easily defined in terms of the propositional connectives of dijunction,
  27 conjunction and negation *)
  28
  29 definition union : ∀A:Type[0].∀P,Q.A → Prop ≝ λA,P,Q,a.P a \ 5a title="logical or" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∨\ 5/a\ 6 Q a.
  30 interpretation "union" 'union a b = (union ? a b).
  31
  32 definition intersection : ∀A:Type[0].∀P,Q.A→Prop ≝ λA,P,Q,a.P a \ 5a title="logical and" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∧\ 5/a\ 6\ 5span class="error" title="Parse error: [term] expected after [sym∧] (in [term])"\ 6\ 5/span\ 6 Q a.
  33 interpretation "intersection" 'intersects a b = (intersection ? a b).
  34
  35 definition complement ≝ λU:Type[0].λA:U → Prop.λw.\ 5a title="logical not" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6¬\ 5/a\ 6 A w.
  36 interpretation "complement" 'not a = (complement ? a).
  37
  38 definition substraction := λU:Type[0].λA,B:U → Prop.λw.A w \ 5a title="logical and" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∧\ 5/a\ 6 \ 5a title="logical not" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6¬\ 5/a\ 6 B w.
  39 interpretation "substraction" 'minus a b = (substraction ? a b).
  40
  41 (* Finally, we use implication to define the inclusion relation between
  42 sets *)
  43
  44 definition subset: ∀A:Type[0].∀P,Q:A→Prop.Prop ≝ λA,P,Q.∀a:A.(P a → Q a).
  45 interpretation "subset" 'subseteq a b = (subset ? a b).
  46
  47 (* \ 5h2 class="section"\ 6Set Quality\ 5/h2\ 6
  48 Two sets are equals if and only if they have the same elements, that is,
  49 if the two characteristic functions are extensionally equivalent: *)
  50
  51 definition eqP ≝ λA:Type[0].λP,Q:A → Prop.∀a:A.P a \ 5a title="iff" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6↔\ 5/a\ 6\ 5span class="error" title="Parse error: [term] expected after [sym↔] (in [term])"\ 6\ 5/span\ 6 Q a.
  52 notation "A =1 B" non associative with precedence 45 for @{'eqP $A $B}.
  53 interpretation "extensional equality" 'eqP a b = (eqP ? a b).
  54
  55 (*
  56 This notion of equality is different from the intensional equality of
  57 functions; the fact it defines an equivalence relation must be explicitly
  58 proved: *)
  59
  60 lemma eqP_sym: ∀U.∀A,B:U →Prop.
  61   A \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 B → B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A.
  62 #U #A #B #eqAB #a @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_sym.def(2)"\ 6iff_sym\ 5/a\ 6 @eqAB qed.
  63
  64 lemma eqP_trans: ∀U.∀A,B,C:U →Prop.
  65   A \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 B → B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C → A \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C.
  66 #U #A #B #C #eqAB #eqBC #a @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_trans.def(2)"\ 6iff_trans\ 5/a\ 6 // qed.
  67
  68 (* For the same reason, we must also prove that all the operations behave well
  69 with respect to eqP: *)
  70
  71 lemma eqP_union_r: ∀U.∀A,B,C:U →Prop.
  72   A \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6\ 5span class="error" title="Parse error: NUMBER '1' or [term] expected after [sym=] (in [term])"\ 6\ 5/span\ 61 C  → A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 B.
  73 #U #A #B #C #eqAB #a @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_or_r.def(2)"\ 6iff_or_r\ 5/a\ 6 @eqAB qed.
  74
  75 lemma eqP_union_l: ∀U.∀A,B,C:U →Prop.
  76   B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C  → A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 C.
  77 #U #A #B #C #eqBC #a @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_or_l.def(2)"\ 6iff_or_l\ 5/a\ 6 @eqBC qed.
  78
  79 lemma eqP_intersect_r: ∀U.∀A,B,C:U →Prop.
  80   A \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C  → A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 B.
  81 #U #A #B #C #eqAB #a @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_and_r.def(2)"\ 6iff_and_r\ 5/a\ 6 @eqAB qed.
  82
  83 lemma eqP_intersect_l: ∀U.∀A,B,C:U →Prop.
  84   B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C  → A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6\ 5span class="error" title="Parse error: [term] expected after [sym∩] (in [term])"\ 6\ 5/span\ 6 B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 C.
  85 #U #A #B #C #eqBC #a @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_and_l.def(2)"\ 6iff_and_l\ 5/a\ 6 @eqBC qed.
  86
  87 lemma eqP_substract_r: ∀U.∀A,B,C:U →Prop.
  88   A \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C  → A \ 5a title="substraction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6-\ 5/a\ 6 B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C \ 5a title="substraction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6-\ 5/a\ 6 B.
  89 #U #A #B #C #eqAB #a @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_and_r.def(2)"\ 6iff_and_r\ 5/a\ 6 @eqAB qed.
  90
  91 lemma eqP_substract_l: ∀U.∀A,B,C:U →Prop.
  92   B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 C  → A \ 5a title="substraction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6-\ 5/a\ 6 B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A \ 5a title="substraction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6-\ 5/a\ 6 C.
  93 #U #A #B #C #eqBC #a @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_and_l.def(2)"\ 6iff_and_l\ 5/a\ 6 /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff_not.def(4)"\ 6iff_not\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ qed.
  94
  95 (* We can now prove several properties of the previous set-theoretic operations.
  96 In particular, union is commutative and associative, and the empty set is an
  97 identity element: *)
  98
  99 lemma union_empty_r: ∀U.∀A:U→Prop.
 100   A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 \ 5a title="empty set" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∅\ 5/a\ 6 \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A.
 101 #U #A #w % [* // normalize #abs @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/False_ind.fix(0,1,1)"\ 6False_ind\ 5/a\ 6 /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ | /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/]
 102 qed.
 103
 104 lemma union_comm : ∀U.∀A,B:U →Prop.
 105   A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 B \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 A.
 106 #U #A #B #a % * /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ qed.
 107
 108 lemma union_assoc: ∀U.∀A,B,C:U → Prop.
 109   A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 B \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 C \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 (B \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 C).
 110 #S #A #B #C #w % [* [* /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ | /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ ] | * [/\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ | * /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/]
 111 qed.
 112
 113 (* In the same way we prove commutativity and associativity for set
 114 interesection *)
 115
 116 lemma cap_comm : ∀U.∀A,B:U →Prop.
 117   A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 B \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 A.
 118 #U #A #B #a % * /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ qed.
 119
 120 lemma cap_assoc: ∀U.∀A,B,C:U→Prop.
 121   A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 (B \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 C) \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 (A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 B) \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 C.
 122 #U #A #B #C #w % [ * #Aw * /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ \ 5span class="autotactic"\ 6\ 5span class="autotrace"\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6| * * /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ ]
 123 qed.
 124
 125 (* We can also easily prove idempotency for union and intersection *)
 126
 127 lemma union_idemp: ∀U.∀A:U →Prop.
 128   A  \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 A \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A.
 129 #U #A #a % [* // | /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/] qed.
 130
 131 lemma cap_idemp: ∀U.∀A:U →Prop.
 132   A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 A \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A.
 133 #U #A #a % [* // | /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/] qed.
 134
 135 (* We conclude our examples with a couple of distributivity theorems, and a
 136 characterization of substraction in terms of interesection and complementation. *)
 137
 138 lemma distribute_intersect : ∀U.∀A,B,C:U→Prop.
 139   (A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 B) \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 C \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 (A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 C) \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 (B \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 C).
 140 #U #A #B #C #w % [* * /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ | * * /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/]
 141 qed.
 142
 143 lemma distribute_substract : ∀U.∀A,B,C:U→Prop.
 144   (A \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 B) \ 5a title="substraction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6-\ 5/a\ 6 C \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 (A \ 5a title="substraction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6-\ 5/a\ 6 C) \ 5a title="union" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∪\ 5/a\ 6 (B \ 5a title="substraction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6-\ 5/a\ 6 C).
 145 #U #A #B #C #w % [* * /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ | * * /\ 5span class="autotactic"\ 63\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6, \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/]
 146 qed.
 147
 148 lemma substract_def:∀U.∀A,B:U→Prop. A\ 5a title="substraction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6-\ 5/a\ 6B \ 5a title="extensional equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 61 A \ 5a title="intersection" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∩\ 5/a\ 6 \ 5a title="complement" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6¬\ 5/a\ 6B.
 149 #U #A #B #w normalize /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/
 150 qed.
 151
 152 (*
 153 \ 5h2 class="section"\ 6Bool vs. Prop\ 5/h2\ 6
 154 In several situation it is important to assume to have a decidable equality
 155 between elements of a set U, namely a boolean function eqb: U→U→bool such that
 156 for any pair of elements a and b in U, (eqb x y) is true if and only if x=y.
 157 A set equipped with such an equality is called a DeqSet: *)
 158
 159 record DeqSet : Type[1] ≝ { carr :> Type[0];
 160    eqb: carr → carr → \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.ind(1,0,0)"\ 6bool\ 5/a\ 6;
 161    eqb_true: ∀x,y. (eqb x y \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,1,0)"\ 6true\ 5/a\ 6) \ 5a title="iff" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6↔\ 5/a\ 6 (x \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 y)
 162 }.
 163
 164 (* We use the notation == to denote the decidable equality, to distinguish it
 165 from the propositional equality. In particular, a term of the form a==b is a
 166 boolean, while a=b is a proposition. *)
 167
 168 notation "a == b" non associative with precedence 45 for @{ 'eqb $a $b }.
 169 interpretation "eqb" 'eqb a b = (eqb ? a b).
 170
 171 (*
 172 \ 5h2 class="section"\ 6Small Scale Reflection\ 5/h2\ 6
 173 It is convenient to have a simple way to reflect a proof of the fact
 174 that (eqb a b) is true into a proof of the proposition (a = b); to this aim,
 175 we introduce two operators "\P" and "\b". *)
 176
 177 notation "\P H" non associative with precedence 90
 178   for @{(proj1 … (eqb_true ???) $H)}.
 179
 180 notation "\b H" non associative with precedence 90
 181   for @{(proj2 … (eqb_true ???) $H)}.
 182
 183 (* If H:eqb a b = true, then \P H: a = b, and conversely if h:a = b, then
 184 \b h: eqb a b = true. Let us see an example of their use: the following
 185 statement asserts that we can reflect a proof that eqb a b is false into
 186 a proof of the proposition a ≠ b. *)
 187
 188 lemma eqb_false: ∀S:\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.ind(1,0,0)"\ 6DeqSet\ 5/a\ 6.∀a,b:S.
 189   (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eqb.fix(0,0,3)"\ 6eqb\ 5/a\ 6 ? a b) \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,2,0)"\ 6false\ 5/a\ 6 \ 5a title="iff" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6↔\ 5/a\ 6 a \ 5a title="leibnitz's non-equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6≠\ 5/a\ 6 b.
 190
 191 (* We start the proof introducing the hypothesis, and then split the "if" and
 192 "only if" cases *)
 193
 194 #S #a #b % #H
 195
 196 (* The latter is easily reduced to prove the goal true=false under the assumption
 197 H1: a = b *)
 198   [@(\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/not_to_not.def(3)"\ 6not_to_not\ 5/a\ 6 … \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/not_eq_true_false.def(3)"\ 6not_eq_true_false\ 5/a\ 6) #H1
 199
 200 (* since by assumption H false is equal to (a==b), by rewriting we obtain the goal
 201 true=(a==b) that is just the boolean version of H1 *)
 202
 203   <H @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/sym_eq.def(2)"\ 6sym_eq\ 5/a\ 6 @(\b H1)
 204
 205 (* In the "if" case, we proceed by cases over the boolean equality (a==b); if
 206 (a==b) is false, the goal is trivial; the other case is absurd, since if (a==b) is
 207 true, then by reflection a=b, while by hypothesis a≠b *)
 208
 209  |cases (\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/true_or_false.def(1)"\ 6true_or_false\ 5/a\ 6 (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eqb.fix(0,0,3)"\ 6eqb\ 5/a\ 6 ? a b)) // #H1 @\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/False_ind.fix(0,1,1)"\ 6False_ind\ 5/a\ 6 @(\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/absurd.def(2)"\ 6absurd\ 5/a\ 6 … (\P H1) H)
 210   ]
 211 qed.
 212
 213 (* We also introduce two operators "\Pf" and "\bf" to reflect a proof
 214 of (a==b)=false into a proof of a≠b, and vice-versa *)
 215
 216 notation "\Pf H" non associative with precedence 90
 217   for @{(proj1 … (eqb_false ???) $H)}.
 218
 219 notation "\bf H" non associative with precedence 90
 220   for @{(proj2 … (eqb_false ???) $H)}.
 221
 222 (* The following statement proves that propositional equality in a
 223 DeqSet is decidable in the traditional sense, namely either a=b or a≠b *)
 224
 225  lemma dec_eq: ∀S:\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.ind(1,0,0)"\ 6DeqSet\ 5/a\ 6.∀a,b:S. a \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 b \ 5a title="logical or" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∨\ 5/a\ 6 a \ 5a title="leibnitz's non-equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6≠\ 5/a\ 6 b.
 226 #S #a #b cases (\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/true_or_false.def(1)"\ 6true_or_false\ 5/a\ 6 (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eqb.fix(0,0,3)"\ 6eqb\ 5/a\ 6 ? a b)) #H
 227   [%1 @(\P H) | %2 @(\Pf H)]
 228 qed.
 229
 230 (*
 231 \ 5h2 class="section"\ 6Unification Hints\ 5/h2\ 6
 232 A simple example of a set with a decidable equality is bool. We first define
 233 the boolean equality beqb, that is just the xand function, then prove that
 234 beqb b1 b2 is true if and only if b1=b2, and finally build the type DeqBool by
 235 instantiating the DeqSet record with the previous information *)
 236
 237 definition beqb ≝ λb1,b2.
 238   match b1 with [ true ⇒ b2 | false ⇒ \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/notb.def(1)"\ 6notb\ 5/a\ 6 b2].
 239
 240 notation < "a == b" non associative with precedence 45 for @{beqb $a $b }.
 241
 242 lemma beqb_true: ∀b1,b2. \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/iff.def(1)"\ 6iff\ 5/a\ 6 (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/beqb.def(2)"\ 6beqb\ 5/a\ 6 b1 b2 \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,1,0)"\ 6true\ 5/a\ 6) (b1 \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 b2).
 243 #b1 #b2 cases b1 cases b2 normalize /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/And.con(0,1,2)"\ 6conj\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/
 244 qed.
 245
 246 definition DeqBool ≝ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.con(0,1,0)"\ 6mk_DeqSet\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.ind(1,0,0)"\ 6bool\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/beqb.def(2)"\ 6beqb\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/beqb_true.def(4)"\ 6beqb_true\ 5/a\ 6.
 247
 248 (* At this point, we would expect to be able to prove things like the
 249 following: for any boolean b, if b==false is true then b=false.
 250 Unfortunately, this would not work, unless we declare b of type
 251 DeqBool (change the type in the following statement and see what
 252 happens). *)
 253
 254 example exhint: ∀b:\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqBool.def(5)"\ 6DeqBool\ 5/a\ 6. (b\ 5a title="eqb" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6=\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,2,0)"\ 6false\ 5/a\ 6) \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,1,0)"\ 6true\ 5/a\ 6 → b\ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,2,0)"\ 6false\ 5/a\ 6.
 255 #b #H @(\P H)
 256 qed.
 257
 258 (* The point is that == expects in input a pair of objects whose type must be the
 259 carrier of a DeqSet; bool is indeed the carrier of DeqBool, but the type inference
 260 system has no knowledge of it (it is an information that has been supplied by the
 261 user, and stored somewhere in the library). More explicitly, the type inference
 262 inference system, would face an unification problem consisting to unify bool
 263 against the carrier of something (a metavaribale) and it has no way to synthetize
 264 the answer. To solve this kind of situations, matita provides a mechanism to hint
 265 the system the expected solution. A unification hint is a kind of rule, whose rhd
 266 is the unification problem, containing some metavariables X1, ..., Xn, and whose
 267 left hand side is the solution suggested to the system, in the form of equations
 268 Xi=Mi. The hint is accepted by the system if and only the solution is correct, that
 269 is, if it is a unifier for the given problem.
 270 To make an example, in the previous case, the unification problem is bool = carr X,
 271 and the hint is to take X= mk_DeqSet bool beqb true. The hint is correct, since
 272 bool is convertible with (carr (mk_DeqSet bool beb true)). *)
 273
 274 unification hint  0 \ 5a href="cic:/fakeuri.def(1)" title="hint_decl_Type1"\ 6≔\ 5/a\ 6 ;
 275     X ≟ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.con(0,1,0)"\ 6mk_DeqSet\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.ind(1,0,0)"\ 6bool\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/beqb.def(2)"\ 6beqb\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/beqb_true.def(4)"\ 6beqb_true\ 5/a\ 6
 276 (* ---------------------------------------- *) ⊢
 277     \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.ind(1,0,0)"\ 6bool\ 5/a\ 6 ≡ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/carr.fix(0,0,2)"\ 6carr\ 5/a\ 6 X.
 278
 279 unification hint  0 \ 5a href="cic:/fakeuri.def(1)" title="hint_decl_Type0"\ 6≔\ 5/a\ 6 b1,b2:\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.ind(1,0,0)"\ 6bool\ 5/a\ 6;
 280     X ≟ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.con(0,1,0)"\ 6mk_DeqSet\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.ind(1,0,0)"\ 6bool\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/beqb.def(2)"\ 6beqb\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/beqb_true.def(4)"\ 6beqb_true\ 5/a\ 6
 281 (* ---------------------------------------- *) ⊢
 282     \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/beqb.def(2)"\ 6beqb\ 5/a\ 6 b1 b2 ≡ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eqb.fix(0,0,3)"\ 6eqb\ 5/a\ 6 X b1 b2.
 283
 284 (* After having provided the previous hints, we may rewrite example exhint
 285 declaring b of type bool. *)
 286
 287 example exhint1: ∀b:\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.ind(1,0,0)"\ 6bool\ 5/a\ 6. (b \ 5a title="eqb" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6= \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,2,0)"\ 6false\ 5/a\ 6) \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,1,0)"\ 6true\ 5/a\ 6 → b \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,2,0)"\ 6false\ 5/a\ 6.
 288 #b #H @(\P H)
 289 qed.
 290
 291 (* The cartesian product of two DeqSets is still a DeqSet. To prove
 292 this, we must as usual define the boolen equality function, and prove
 293 it correctly reflects propositional equality. *)
 294
 295 definition eq_pairs ≝
 296   λA,B:\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.ind(1,0,0)"\ 6DeqSet\ 5/a\ 6.λp1,p2:A\ 5a title="Product" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6×\ 5/a\ 6B.(\ 5a title="pair pi1" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6\fst\ 5/a\ 6 p1 \ 5a title="eqb" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6= \ 5a title="pair pi1" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6\fst\ 5/a\ 6 p2) \ 5a title="boolean and" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6∧\ 5/a\ 6 (\ 5a title="pair pi2" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6\snd\ 5/a\ 6 p1 \ 5a title="eqb" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6= \ 5a title="pair pi2" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6\snd\ 5/a\ 6 p2).
 297
 298 lemma eq_pairs_true: ∀A,B:\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.ind(1,0,0)"\ 6DeqSet\ 5/a\ 6.∀p1,p2:A\ 5a title="Product" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6×\ 5/a\ 6B.
 299   \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eq_pairs.def(4)"\ 6eq_pairs\ 5/a\ 6 A B p1 p2 \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,1,0)"\ 6true\ 5/a\ 6 \ 5a title="iff" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6↔\ 5/a\ 6 p1 \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 p2.
 300 #A #B * #a1 #b1 * #a2 #b2 %
 301   [#H cases (\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/andb_true.def(5)"\ 6andb_true\ 5/a\ 6 …H) normalize #eqa #eqb >(\P eqa) >(\P eqb) //
 302   |#H destruct normalize >(\b (\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/eq.con(0,1,2)"\ 6refl\ 5/a\ 6 … a2)) >(\b (\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/eq.con(0,1,2)"\ 6refl\ 5/a\ 6 … b2)) //
 303   ]
 304 qed.
 305
 306 definition DeqProd ≝ λA,B:\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.ind(1,0,0)"\ 6DeqSet\ 5/a\ 6.
 307   \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqSet.con(0,1,0)"\ 6mk_DeqSet\ 5/a\ 6 (A\ 5a title="Product" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6×\ 5/a\ 6B) (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eq_pairs.def(4)"\ 6eq_pairs\ 5/a\ 6 A B) (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eq_pairs_true.def(6)"\ 6eq_pairs_true\ 5/a\ 6 A B).
 308
 309 (* Having an unification problem of the kind T1×T2 = carr X, what kind
 310 of hint can we give to the system? We expect T1 to be the carrier of a
 311 DeqSet C1, T2 to be the carrier of a DeqSet C2, and X to be DeqProd C1 C2.
 312 This is expressed by the following hint: *)
 313
 314 unification hint  0 \ 5a href="cic:/fakeuri.def(1)" title="hint_decl_Type1"\ 6≔\ 5/a\ 6 C1,C2;
 315     T1 ≟ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/carr.fix(0,0,2)"\ 6carr\ 5/a\ 6 C1,
 316     T2 ≟ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/carr.fix(0,0,2)"\ 6carr\ 5/a\ 6 C2,
 317     X ≟ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqProd.def(7)"\ 6DeqProd\ 5/a\ 6 C1 C2
 318 (* ---------------------------------------- *) ⊢
 319     T1\ 5a title="Product" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6×\ 5/a\ 6T2 ≡ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/carr.fix(0,0,2)"\ 6carr\ 5/a\ 6 X.
 320
 321 unification hint  0 \ 5a href="cic:/fakeuri.def(1)" title="hint_decl_Type0"\ 6≔\ 5/a\ 6 T1,T2,p1,p2;
 322     X ≟ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/DeqProd.def(7)"\ 6DeqProd\ 5/a\ 6 T1 T2
 323 (* ---------------------------------------- *) ⊢
 324     \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eq_pairs.def(4)"\ 6eq_pairs\ 5/a\ 6 T1 T2 p1 p2 ≡ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter4/eqb.fix(0,0,3)"\ 6eqb\ 5/a\ 6 X p1 p2.
 325
 326 example hint2: ∀b1,b2.
 327   \ 5a title="Pair construction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6〈\ 5/a\ 6b1,\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,1,0)"\ 6true\ 5/a\ 6〉\ 5a title="eqb" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6=\ 5a title="Pair construction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6〈\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,2,0)"\ 6false\ 5/a\ 6,b2〉\ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,1,0)"\ 6true\ 5/a\ 6 → \ 5a title="Pair construction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6〈\ 5/a\ 6b1,\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,1,0)"\ 6true\ 5/a\ 6〉\ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6\ 5a title="Pair construction" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6〈\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/basics/bool/bool.con(0,2,0)"\ 6false\ 5/a\ 6,b2〉.
 328 #b1 #b2 #H @(\P H).