]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blobdiff - helm/matita/library/nat/gcd.ma
test branch
[helm.git] / helm / matita / library / nat / gcd.ma
diff --git a/helm/matita/library/nat/gcd.ma b/helm/matita/library/nat/gcd.ma
new file mode 100644 (file)
index 0000000..65f61b5
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,608 @@
+(**************************************************************************)
+(*       ___                                                               *)
+(*      ||M||                                                             *)
+(*      ||A||       A project by Andrea Asperti                           *)
+(*      ||T||                                                             *)
+(*      ||I||       Developers:                                           *)
+(*      ||T||       A.Asperti, C.Sacerdoti Coen,                          *)
+(*      ||A||       E.Tassi, S.Zacchiroli                                 *)
+(*      \   /                                                             *)
+(*       \ /        Matita is distributed under the terms of the          *)
+(*        v         GNU Lesser General Public License Version 2.1         *)
+(*                                                                        *)
+(**************************************************************************)
+
+set "baseuri" "cic:/matita/nat/gcd".
+
+include "nat/primes.ma".
+
+let rec gcd_aux p m n: nat \def
+match divides_b n m with
+[ true \Rightarrow n
+| false \Rightarrow 
+  match p with
+  [O \Rightarrow n
+  |(S q) \Rightarrow gcd_aux q n (m \mod n)]].
+  
+definition gcd : nat \to nat \to nat \def
+\lambda n,m:nat.
+  match leb n m with
+  [ true \Rightarrow 
+    match n with 
+    [ O \Rightarrow m
+    | (S p) \Rightarrow gcd_aux (S p) m (S p) ]
+  | false \Rightarrow 
+    match m with 
+    [ O \Rightarrow n
+    | (S p) \Rightarrow gcd_aux (S p) n (S p) ]].
+
+theorem divides_mod: \forall p,m,n:nat. O < n \to p \divides m \to p \divides n \to
+p \divides (m \mod n).
+intros.elim H1.elim H2.
+apply (witness ? ? (n2 - n1*(m / n))).
+rewrite > distr_times_minus.
+rewrite < H3.
+rewrite < assoc_times.
+rewrite < H4.
+apply sym_eq.
+apply plus_to_minus.
+rewrite > sym_times.
+apply div_mod.
+assumption.
+qed.
+
+theorem divides_mod_to_divides: \forall p,m,n:nat. O < n \to
+p \divides (m \mod n) \to p \divides n \to p \divides m. 
+intros.elim H1.elim H2.
+apply (witness p m ((n1*(m / n))+n2)).
+rewrite > distr_times_plus.
+rewrite < H3.
+rewrite < assoc_times.
+rewrite < H4.rewrite < sym_times.
+apply div_mod.assumption.
+qed.
+
+theorem divides_gcd_aux_mn: \forall p,m,n. O < n \to n \le m \to n \le p \to
+gcd_aux p m n \divides m \land gcd_aux p m n \divides n. 
+intro.elim p.
+absurd (O < n).assumption.apply le_to_not_lt.assumption.
+cut ((n1 \divides m) \lor (n1 \ndivides m)).
+change with 
+((match divides_b n1 m with
+[ true \Rightarrow n1
+| false \Rightarrow gcd_aux n n1 (m \mod n1)]) \divides m \land
+(match divides_b n1 m with
+[ true \Rightarrow n1
+| false \Rightarrow gcd_aux n n1 (m \mod n1)]) \divides n1).
+elim Hcut.rewrite > divides_to_divides_b_true.
+simplify.
+split.assumption.apply (witness n1 n1 (S O)).apply times_n_SO.
+assumption.assumption.
+rewrite > not_divides_to_divides_b_false.
+change with 
+(gcd_aux n n1 (m \mod n1) \divides m \land
+gcd_aux n n1 (m \mod n1) \divides n1).
+cut (gcd_aux n n1 (m \mod n1) \divides n1 \land
+gcd_aux n n1 (m \mod n1) \divides mod m n1).
+elim Hcut1.
+split.apply (divides_mod_to_divides ? ? n1).
+assumption.assumption.assumption.assumption.
+apply H.
+cut (O \lt m \mod n1 \lor O = mod m n1).
+elim Hcut1.assumption.
+apply False_ind.apply H4.apply mod_O_to_divides.
+assumption.apply sym_eq.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+apply lt_to_le.
+apply lt_mod_m_m.assumption.
+apply le_S_S_to_le.
+apply (trans_le ? n1).
+change with (m \mod n1 < n1).
+apply lt_mod_m_m.assumption.assumption.
+assumption.assumption.
+apply (decidable_divides n1 m).assumption.
+qed.
+
+theorem divides_gcd_nm: \forall n,m.
+gcd n m \divides m \land gcd n m \divides n.
+intros.
+change with
+(match leb n m with
+  [ true \Rightarrow 
+    match n with 
+    [ O \Rightarrow m
+    | (S p) \Rightarrow gcd_aux (S p) m (S p) ]
+  | false \Rightarrow 
+    match m with 
+    [ O \Rightarrow n
+    | (S p) \Rightarrow gcd_aux (S p) n (S p) ] ] \divides m
+\land
+match leb n m with
+  [ true \Rightarrow 
+    match n with 
+    [ O \Rightarrow m
+    | (S p) \Rightarrow gcd_aux (S p) m (S p) ]
+  | false \Rightarrow 
+    match m with 
+    [ O \Rightarrow n
+    | (S p) \Rightarrow gcd_aux (S p) n (S p) ] ] \divides n). 
+apply (leb_elim n m).
+apply (nat_case1 n).
+simplify.intros.split.
+apply (witness m m (S O)).apply times_n_SO.
+apply (witness m O O).apply times_n_O.
+intros.change with
+(gcd_aux (S m1) m (S m1) \divides m
+\land 
+gcd_aux (S m1) m (S m1) \divides (S m1)).
+apply divides_gcd_aux_mn.
+unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.
+assumption.apply le_n.
+simplify.intro.
+apply (nat_case1 m).
+simplify.intros.split.
+apply (witness n O O).apply times_n_O.
+apply (witness n n (S O)).apply times_n_SO.
+intros.change with
+(gcd_aux (S m1) n (S m1) \divides (S m1)
+\land 
+gcd_aux (S m1) n (S m1) \divides n).
+cut (gcd_aux (S m1) n (S m1) \divides n
+\land 
+gcd_aux (S m1) n (S m1) \divides S m1).
+elim Hcut.split.assumption.assumption.
+apply divides_gcd_aux_mn.
+unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.
+apply not_lt_to_le.unfold Not. unfold lt.intro.apply H.
+rewrite > H1.apply (trans_le ? (S n)).
+apply le_n_Sn.assumption.apply le_n.
+qed.
+
+theorem divides_gcd_n: \forall n,m. gcd n m \divides n.
+intros. 
+exact (proj2  ? ? (divides_gcd_nm n m)).
+qed.
+
+theorem divides_gcd_m: \forall n,m. gcd n m \divides m.
+intros. 
+exact (proj1 ? ? (divides_gcd_nm n m)).
+qed.
+
+theorem divides_gcd_aux: \forall p,m,n,d. O < n \to n \le m \to n \le p \to
+d \divides m \to d \divides n \to d \divides gcd_aux p m n. 
+intro.elim p.
+absurd (O < n).assumption.apply le_to_not_lt.assumption.
+change with
+(d \divides
+(match divides_b n1 m with
+[ true \Rightarrow n1
+| false \Rightarrow gcd_aux n n1 (m \mod n1)])).
+cut (n1 \divides m \lor n1 \ndivides m).
+elim Hcut.
+rewrite > divides_to_divides_b_true.
+simplify.assumption.
+assumption.assumption.
+rewrite > not_divides_to_divides_b_false.
+change with (d \divides gcd_aux n n1 (m \mod n1)).
+apply H.
+cut (O \lt m \mod n1 \lor O = m \mod n1).
+elim Hcut1.assumption.
+absurd (n1 \divides m).apply mod_O_to_divides.
+assumption.apply sym_eq.assumption.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+apply lt_to_le.
+apply lt_mod_m_m.assumption.
+apply le_S_S_to_le.
+apply (trans_le ? n1).
+change with (m \mod n1 < n1).
+apply lt_mod_m_m.assumption.assumption.
+assumption.
+apply divides_mod.assumption.assumption.assumption.
+assumption.assumption.
+apply (decidable_divides n1 m).assumption.
+qed.
+
+theorem divides_d_gcd: \forall m,n,d. 
+d \divides m \to d \divides n \to d \divides gcd n m. 
+intros.
+change with
+(d \divides
+match leb n m with
+  [ true \Rightarrow 
+    match n with 
+    [ O \Rightarrow m
+    | (S p) \Rightarrow gcd_aux (S p) m (S p) ]
+  | false \Rightarrow 
+    match m with 
+    [ O \Rightarrow n
+    | (S p) \Rightarrow gcd_aux (S p) n (S p) ]]).
+apply (leb_elim n m).
+apply (nat_case1 n).simplify.intros.assumption.
+intros.
+change with (d \divides gcd_aux (S m1) m (S m1)).
+apply divides_gcd_aux.
+unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.assumption.apply le_n.assumption.
+rewrite < H2.assumption.
+apply (nat_case1 m).simplify.intros.assumption.
+intros.
+change with (d \divides gcd_aux (S m1) n (S m1)).
+apply divides_gcd_aux.
+unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.
+apply lt_to_le.apply not_le_to_lt.assumption.apply le_n.assumption.
+rewrite < H2.assumption.
+qed.
+
+theorem eq_minus_gcd_aux: \forall p,m,n.O < n \to n \le m \to n \le p \to
+\exists a,b. a*n - b*m = gcd_aux p m n \lor b*m - a*n = gcd_aux p m n.
+intro.
+elim p.
+absurd (O < n).assumption.apply le_to_not_lt.assumption.
+cut (O < m).
+cut (n1 \divides m \lor  n1 \ndivides m).
+change with
+(\exists a,b.
+a*n1 - b*m = match divides_b n1 m with
+[ true \Rightarrow n1
+| false \Rightarrow gcd_aux n n1 (m \mod n1)]
+\lor 
+b*m - a*n1 = match divides_b n1 m with
+[ true \Rightarrow n1
+| false \Rightarrow gcd_aux n n1 (m \mod n1)]).
+elim Hcut1.
+rewrite > divides_to_divides_b_true.
+simplify.
+apply (ex_intro ? ? (S O)).
+apply (ex_intro ? ? O).
+left.simplify.rewrite < plus_n_O.
+apply sym_eq.apply minus_n_O.
+assumption.assumption.
+rewrite > not_divides_to_divides_b_false.
+change with
+(\exists a,b.
+a*n1 - b*m = gcd_aux n n1 (m \mod n1)
+\lor 
+b*m - a*n1 = gcd_aux n n1 (m \mod n1)).
+cut 
+(\exists a,b.
+a*(m \mod n1) - b*n1= gcd_aux n n1 (m \mod n1)
+\lor
+b*n1 - a*(m \mod n1) = gcd_aux n n1 (m \mod n1)).
+elim Hcut2.elim H5.elim H6.
+(* first case *)
+rewrite < H7.
+apply (ex_intro ? ? (a1+a*(m / n1))).
+apply (ex_intro ? ? a).
+right.
+rewrite < sym_plus.
+rewrite < (sym_times n1).
+rewrite > distr_times_plus.
+rewrite > (sym_times n1).
+rewrite > (sym_times n1).
+rewrite > (div_mod m n1) in \vdash (? ? (? % ?) ?).
+rewrite > assoc_times.
+rewrite < sym_plus.
+rewrite > distr_times_plus.
+rewrite < eq_minus_minus_minus_plus.
+rewrite < sym_plus.
+rewrite < plus_minus.
+rewrite < minus_n_n.reflexivity.
+apply le_n.
+assumption.
+(* second case *)
+rewrite < H7.
+apply (ex_intro ? ? (a1+a*(m / n1))).
+apply (ex_intro ? ? a).
+left.
+(* clear Hcut2.clear H5.clear H6.clear H. *)
+rewrite > sym_times.
+rewrite > distr_times_plus.
+rewrite > sym_times.
+rewrite > (sym_times n1).
+rewrite > (div_mod m n1) in \vdash (? ? (? ? %) ?).
+rewrite > distr_times_plus.
+rewrite > assoc_times.
+rewrite < eq_minus_minus_minus_plus.
+rewrite < sym_plus.
+rewrite < plus_minus.
+rewrite < minus_n_n.reflexivity.
+apply le_n.
+assumption.
+apply (H n1 (m \mod n1)).
+cut (O \lt m \mod n1 \lor O = m \mod n1).
+elim Hcut2.assumption. 
+absurd (n1 \divides m).apply mod_O_to_divides.
+assumption.
+symmetry.assumption.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+apply lt_to_le.
+apply lt_mod_m_m.assumption.
+apply le_S_S_to_le.
+apply (trans_le ? n1).
+change with (m \mod n1 < n1).
+apply lt_mod_m_m.
+assumption.assumption.assumption.assumption.
+apply (decidable_divides n1 m).assumption.
+apply (lt_to_le_to_lt ? n1).assumption.assumption.
+qed.
+
+theorem eq_minus_gcd:
+ \forall m,n.\exists a,b.a*n - b*m = (gcd n m) \lor b*m - a*n = (gcd n m).
+intros.
+unfold gcd.
+apply (leb_elim n m).
+apply (nat_case1 n).
+simplify.intros.
+apply (ex_intro ? ? O).
+apply (ex_intro ? ? (S O)).
+right.simplify.
+rewrite < plus_n_O.
+apply sym_eq.apply minus_n_O.
+intros.
+change with 
+(\exists a,b.
+a*(S m1) - b*m = (gcd_aux (S m1) m (S m1)) 
+\lor b*m - a*(S m1) = (gcd_aux (S m1) m (S m1))).
+apply eq_minus_gcd_aux.
+unfold lt. apply le_S_S.apply le_O_n.
+assumption.apply le_n.
+apply (nat_case1 m).
+simplify.intros.
+apply (ex_intro ? ? (S O)).
+apply (ex_intro ? ? O).
+left.simplify.
+rewrite < plus_n_O.
+apply sym_eq.apply minus_n_O.
+intros.
+change with 
+(\exists a,b.
+a*n - b*(S m1) = (gcd_aux (S m1) n (S m1)) 
+\lor b*(S m1) - a*n = (gcd_aux (S m1) n (S m1))).
+cut 
+(\exists a,b.
+a*(S m1) - b*n = (gcd_aux (S m1) n (S m1))
+\lor
+b*n - a*(S m1) = (gcd_aux (S m1) n (S m1))).
+elim Hcut.elim H2.elim H3.
+apply (ex_intro ? ? a1).
+apply (ex_intro ? ? a).
+right.assumption.
+apply (ex_intro ? ? a1).
+apply (ex_intro ? ? a).
+left.assumption.
+apply eq_minus_gcd_aux.
+unfold lt. apply le_S_S.apply le_O_n.
+apply lt_to_le.apply not_le_to_lt.assumption.
+apply le_n.
+qed.
+
+(* some properties of gcd *)
+
+theorem gcd_O_n: \forall n:nat. gcd O n = n.
+intro.simplify.reflexivity.
+qed.
+
+theorem gcd_O_to_eq_O:\forall m,n:nat. (gcd m n) = O \to
+m = O \land n = O.
+intros.cut (O \divides n \land O \divides m).
+elim Hcut.elim H2.split.
+assumption.elim H1.assumption.
+rewrite < H.
+apply divides_gcd_nm.
+qed.
+
+theorem lt_O_gcd:\forall m,n:nat. O < n \to O < gcd m n.
+intros.
+apply (nat_case1 (gcd m n)).
+intros.
+generalize in match (gcd_O_to_eq_O m n H1).
+intros.elim H2.
+rewrite < H4 in \vdash (? ? %).assumption.
+intros.unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.
+qed.
+
+theorem symmetric_gcd: symmetric nat gcd.
+change with 
+(\forall n,m:nat. gcd n m = gcd m n).
+intros.
+cut (O < (gcd n m) \lor O = (gcd n m)).
+elim Hcut.
+cut (O < (gcd m n) \lor O = (gcd m n)).
+elim Hcut1.
+apply antisym_le.
+apply divides_to_le.assumption.
+apply divides_d_gcd.apply divides_gcd_n.apply divides_gcd_m.
+apply divides_to_le.assumption.
+apply divides_d_gcd.apply divides_gcd_n.apply divides_gcd_m.
+rewrite < H1.
+cut (m=O \land n=O).
+elim Hcut2.rewrite > H2.rewrite > H3.reflexivity.
+apply gcd_O_to_eq_O.apply sym_eq.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+rewrite < H.
+cut (n=O \land m=O).
+elim Hcut1.rewrite > H1.rewrite > H2.reflexivity.
+apply gcd_O_to_eq_O.apply sym_eq.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+qed.
+
+variant sym_gcd: \forall n,m:nat. gcd n m = gcd m n \def
+symmetric_gcd.
+
+theorem le_gcd_times: \forall m,n,p:nat. O< p \to gcd m n \le gcd m (n*p).
+intros.
+apply (nat_case n).reflexivity.
+intro.
+apply divides_to_le.
+apply lt_O_gcd.
+rewrite > (times_n_O O).
+apply lt_times.unfold lt.apply le_S_S.apply le_O_n.assumption.
+apply divides_d_gcd.
+apply (transitive_divides ? (S m1)).
+apply divides_gcd_m.
+apply (witness ? ? p).reflexivity.
+apply divides_gcd_n.
+qed.
+
+theorem gcd_times_SO_to_gcd_SO: \forall m,n,p:nat. O < n \to O < p \to 
+gcd m (n*p) = (S O) \to gcd m n = (S O).
+intros.
+apply antisymmetric_le.
+rewrite < H2.
+apply le_gcd_times.assumption.
+change with (O < gcd m n). 
+apply lt_O_gcd.assumption.
+qed.
+
+(* for the "converse" of the previous result see the end  of this development *)
+
+theorem gcd_SO_n: \forall n:nat. gcd (S O) n = (S O).
+intro.
+apply antisym_le.apply divides_to_le.unfold lt.apply le_n.
+apply divides_gcd_n.
+cut (O < gcd (S O) n \lor O = gcd (S O) n).
+elim Hcut.assumption.
+apply False_ind.
+apply (not_eq_O_S O).
+cut ((S O)=O \land n=O).
+elim Hcut1.apply sym_eq.assumption.
+apply gcd_O_to_eq_O.apply sym_eq.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+qed.
+
+theorem divides_gcd_mod: \forall m,n:nat. O < n \to
+divides (gcd m n) (gcd n (m \mod n)).
+intros.
+apply divides_d_gcd.
+apply divides_mod.assumption.
+apply divides_gcd_n.
+apply divides_gcd_m.
+apply divides_gcd_m.
+qed.
+
+theorem divides_mod_gcd: \forall m,n:nat. O < n \to
+divides (gcd n (m \mod n)) (gcd m n) .
+intros.
+apply divides_d_gcd.
+apply divides_gcd_n.
+apply (divides_mod_to_divides ? ? n).
+assumption.
+apply divides_gcd_m.
+apply divides_gcd_n.
+qed.
+
+theorem gcd_mod: \forall m,n:nat. O < n \to
+(gcd n (m \mod n)) = (gcd m n) .
+intros.
+apply antisymmetric_divides.
+apply divides_mod_gcd.assumption.
+apply divides_gcd_mod.assumption.
+qed.
+
+(* gcd and primes *)
+
+theorem prime_to_gcd_SO: \forall n,m:nat. prime n \to n \ndivides m \to
+gcd n m = (S O).
+intros.unfold prime in H.change with (gcd n m = (S O)). 
+elim H.
+apply antisym_le.
+apply not_lt_to_le.
+change with ((S (S O)) \le gcd n m \to False).intro.
+apply H1.rewrite < (H3 (gcd n m)).
+apply divides_gcd_m.
+apply divides_gcd_n.assumption.
+cut (O < gcd n m \lor O = gcd n m).
+elim Hcut.assumption.
+apply False_ind.
+apply (not_le_Sn_O (S O)).
+cut (n=O \land m=O).
+elim Hcut1.rewrite < H5 in \vdash (? ? %).assumption.
+apply gcd_O_to_eq_O.apply sym_eq.assumption.
+apply le_to_or_lt_eq.apply le_O_n.
+qed.
+
+theorem divides_times_to_divides: \forall n,p,q:nat.prime n \to n \divides p*q \to
+n \divides p \lor n \divides q.
+intros.
+cut (n \divides p \lor n \ndivides p).
+elim Hcut.
+left.assumption.
+right.
+cut (\exists a,b. a*n - b*p = (S O) \lor b*p - a*n = (S O)).
+elim Hcut1.elim H3.elim H4.
+(* first case *)
+rewrite > (times_n_SO q).rewrite < H5.
+rewrite > distr_times_minus.
+rewrite > (sym_times q (a1*p)).
+rewrite > (assoc_times a1).
+elim H1.rewrite > H6.
+rewrite < (sym_times n).rewrite < assoc_times.
+rewrite > (sym_times q).rewrite > assoc_times.
+rewrite < (assoc_times a1).rewrite < (sym_times n).
+rewrite > (assoc_times n).
+rewrite < distr_times_minus.
+apply (witness ? ? (q*a-a1*n2)).reflexivity.
+(* second case *)
+rewrite > (times_n_SO q).rewrite < H5.
+rewrite > distr_times_minus.
+rewrite > (sym_times q (a1*p)).
+rewrite > (assoc_times a1).
+elim H1.rewrite > H6.
+rewrite < sym_times.rewrite > assoc_times.
+rewrite < (assoc_times q).
+rewrite < (sym_times n).
+rewrite < distr_times_minus.
+apply (witness ? ? (n2*a1-q*a)).reflexivity.
+(* end second case *)
+rewrite < (prime_to_gcd_SO n p).
+apply eq_minus_gcd.
+assumption.assumption.
+apply (decidable_divides n p).
+apply (trans_lt ? (S O)).unfold lt.apply le_n.
+unfold prime in H.elim H. assumption.
+qed.
+
+theorem eq_gcd_times_SO: \forall m,n,p:nat. O < n \to O < p \to
+gcd m n = (S O) \to gcd m p = (S O) \to gcd m (n*p) = (S O).
+intros.
+apply antisymmetric_le.
+apply not_lt_to_le.
+unfold Not.intro.
+cut (divides (smallest_factor (gcd m (n*p))) n \lor 
+     divides (smallest_factor (gcd m (n*p))) p).
+elim Hcut.
+apply (not_le_Sn_n (S O)).
+change with ((S O) < (S O)).
+rewrite < H2 in \vdash (? ? %).
+apply (lt_to_le_to_lt ? (smallest_factor (gcd m (n*p)))).
+apply lt_SO_smallest_factor.assumption.
+apply divides_to_le.
+rewrite > H2.unfold lt.apply le_n.
+apply divides_d_gcd.assumption.
+apply (transitive_divides ? (gcd m (n*p))).
+apply divides_smallest_factor_n.
+apply (trans_lt ? (S O)). unfold lt. apply le_n. assumption.
+apply divides_gcd_n.
+apply (not_le_Sn_n (S O)).
+change with ((S O) < (S O)).
+rewrite < H3 in \vdash (? ? %).
+apply (lt_to_le_to_lt ? (smallest_factor (gcd m (n*p)))).
+apply lt_SO_smallest_factor.assumption.
+apply divides_to_le.
+rewrite > H3.unfold lt.apply le_n.
+apply divides_d_gcd.assumption.
+apply (transitive_divides ? (gcd m (n*p))).
+apply divides_smallest_factor_n.
+apply (trans_lt ? (S O)). unfold lt. apply le_n. assumption.
+apply divides_gcd_n.
+apply divides_times_to_divides.
+apply prime_smallest_factor_n.
+assumption.
+apply (transitive_divides ? (gcd m (n*p))).
+apply divides_smallest_factor_n.
+apply (trans_lt ? (S O)).unfold lt. apply le_n. assumption.
+apply divides_gcd_m.
+change with (O < gcd m (n*p)).
+apply lt_O_gcd.
+rewrite > (times_n_O O).
+apply lt_times.assumption.assumption.
+qed.