weblib/tutorial/chapter4.ma

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