]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blobdiff - matita/library/nat/sqrt.ma
branch for universe
[helm.git] / matita / library / nat / sqrt.ma
diff --git a/matita/library/nat/sqrt.ma b/matita/library/nat/sqrt.ma
new file mode 100644 (file)
index 0000000..d523d63
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,219 @@
+(**************************************************************************)
+(*       ___                                                              *)
+(*      ||M||                                                             *)
+(*      ||A||       A project by Andrea Asperti                           *)
+(*      ||T||                                                             *)
+(*      ||I||       Developers:                                           *)
+(*      ||T||         The HELM team.                                      *)
+(*      ||A||         http://helm.cs.unibo.it                             *)
+(*      \   /                                                             *)
+(*       \ /        This file is distributed under the terms of the       *)
+(*        v         GNU General Public License Version 2                  *)
+(*                                                                        *)
+(**************************************************************************)
+
+include "nat/times.ma".
+include "nat/compare.ma".
+include "nat/log.ma".
+
+definition sqrt \def
+  \lambda n.max n (\lambda x.leb (x*x) n).
+
+theorem eq_sqrt: \forall n. sqrt (n*n) = n.
+intros.
+unfold sqrt.apply max_spec_to_max.
+unfold max_spec.split
+  [split
+    [cases n
+      [apply le_n
+      |rewrite > times_n_SO in ⊢ (? % ?).
+       apply le_times_r.
+       apply le_S_S.apply le_O_n
+      ]
+    |apply le_to_leb_true.apply le_n
+    ]
+  |intros.
+   apply lt_to_leb_false.
+   apply lt_times;assumption
+  ]
+qed.
+
+theorem le_sqrt_to_le_times_l : \forall m,n.n \leq sqrt m \to n*n \leq m.
+intros;apply (trans_le ? (sqrt m * sqrt m))
+  [apply le_times;assumption
+  |apply leb_true_to_le;apply (f_max_true (λx:nat.leb (x*x) m) m);
+   apply (ex_intro ? ? O);split
+     [apply le_O_n
+     |simplify;reflexivity]]
+qed.
+theorem lt_sqrt_to_le_times_l : \forall m,n.n < sqrt m \to n*n < m.
+intros;apply (trans_le ? (sqrt m * sqrt m))
+  [apply (trans_le ? (S n * S n))
+     [simplify in \vdash (? ? %);apply le_S_S;apply (trans_le ? (n * S n))
+        [apply le_times_r;apply le_S;apply le_n
+        |rewrite > sym_plus;rewrite > plus_n_O in \vdash (? % ?);
+         apply le_plus_r;apply le_O_n]  
+     |apply le_times;assumption]
+  |apply le_sqrt_to_le_times_l;apply le_n]
+qed.
+
+theorem le_sqrt_to_le_times_r : \forall m,n.sqrt m < n \to m < n*n.
+intros;apply not_le_to_lt;intro;
+apply ((leb_false_to_not_le ? ? 
+           (lt_max_to_false (\lambda x.leb (x*x) m) m n H ?))
+         H1);
+apply (trans_le ? ? ? ? H1);cases n
+  [apply le_n
+  |rewrite > times_n_SO in \vdash (? % ?);rewrite > sym_times;apply le_times
+     [apply le_S_S;apply le_O_n
+     |apply le_n]]
+qed.
+  
+lemma le_sqrt_n_n : \forall n.sqrt n \leq n.
+intro.unfold sqrt.apply le_max_n.
+qed.
+
+lemma leq_sqrt_n : \forall n. sqrt n * sqrt n \leq n.
+intro;unfold sqrt;apply leb_true_to_le;apply f_max_true;apply (ex_intro ? ? O);
+split
+  [apply le_O_n
+  |simplify;reflexivity]
+qed.
+
+alias num (instance 0) = "natural number".
+
+lemma lt_sqrt_n : \forall n.1 < n \to sqrt n < n.
+intros.
+elim (le_to_or_lt_eq ? ? (le_sqrt_n_n n))
+  [assumption
+  |apply False_ind.
+   apply (le_to_not_lt ? ? (leq_sqrt_n n)).
+   rewrite > H1.
+   rewrite > times_n_SO in ⊢ (? % ?).
+   apply lt_times_r1
+    [apply lt_to_le.assumption
+    |assumption
+    ]
+  ]
+qed.
+
+lemma lt_sqrt: \forall n.n < (exp (S (sqrt n)) 2).
+intro.
+cases n
+  [apply le_n
+  |cases n1
+    [simplify.apply lt_to_le.apply lt_to_le.apply le_n
+    |apply not_le_to_lt.
+     apply leb_false_to_not_le.
+     rewrite > exp_SSO.
+     apply (lt_max_to_false (\lambda x.(leb (x*x) (S(S n2)))) (S(S n2)))
+      [apply le_n
+      |apply lt_sqrt_n.
+       apply le_S_S.apply lt_O_S.
+      ]
+    ]
+  ]
+qed.
+
+lemma le_sqrt_n1: \forall n. n - 2*sqrt n \le exp (sqrt n) 2.
+intros.
+apply le_plus_to_minus.
+apply le_S_S_to_le.
+cut (S ((sqrt n)\sup 2+2*sqrt n) = (exp (S(sqrt n)) 2))
+  [rewrite > Hcut.apply lt_sqrt
+  |rewrite > exp_SSO.rewrite > exp_SSO.
+   simplify.apply eq_f.
+   rewrite < times_n_Sm.
+   rewrite < plus_n_O.
+   rewrite < assoc_plus in ⊢ (? ? ? %).
+   rewrite > sym_plus.
+   reflexivity
+  ]
+qed.
+
+(* falso per n=2, m=7 e n=3, m =15 *)
+lemma le_sqrt_nl: \forall n,m. 3 < n \to
+m*(pred m)*n \le exp (sqrt ((exp m 2)*n)) 2.
+intros.
+rewrite > minus_n_O in ⊢ (? (? (? ? (? %)) ?) ?).
+rewrite < eq_minus_S_pred.
+rewrite > distr_times_minus.
+rewrite < times_n_SO.
+rewrite > sym_times.
+rewrite > distr_times_minus.
+rewrite > sym_times.
+apply (trans_le ? (m*m*n -2*sqrt(m*m*n)))
+  [apply monotonic_le_minus_r.
+   apply (le_exp_to_le1 ? ? 2)
+    [apply lt_O_S
+    |rewrite < times_exp.
+     apply (trans_le ? ((exp 2 2)*(m*m*n)))
+      [apply le_times_r.
+       rewrite > exp_SSO.
+       apply leq_sqrt_n
+      |rewrite < exp_SSO.
+       rewrite < times_exp.
+       rewrite < assoc_times.
+       rewrite < sym_times in ⊢ (? (? % ?) ?).
+       rewrite > assoc_times.
+       rewrite > sym_times.
+       apply le_times_l.
+       rewrite > exp_SSO in ⊢ (? ? %).
+       apply le_times_l.
+       assumption
+      ]
+    ]
+  |rewrite <exp_SSO. 
+   apply le_sqrt_n1
+  ]
+qed.
+       
+lemma le_sqrt_log_n : \forall n,b. 2 < b \to sqrt n * log b n \leq n.
+intros.
+apply (trans_le ? ? ? ? (leq_sqrt_n ?));
+apply le_times_r;unfold sqrt;
+apply f_m_to_le_max
+  [apply le_log_n_n;apply lt_to_le;assumption
+  |apply le_to_leb_true;elim (le_to_or_lt_eq ? ? (le_O_n n))
+     [apply (trans_le ? (exp b (log b n)))
+        [elim (log b n)
+           [apply le_O_n
+           |simplify in \vdash (? ? %);
+           elim (le_to_or_lt_eq ? ? (le_O_n n1))
+              [elim (le_to_or_lt_eq ? ? H3)
+                 [apply (trans_le ? (3*(n1*n1)));
+                    [simplify in \vdash (? % ?);rewrite > sym_times in \vdash (? % ?);
+                     simplify in \vdash (? % ?);
+                     simplify;rewrite > sym_plus;
+                     rewrite > plus_n_Sm;rewrite > sym_plus in \vdash (? (? % ?) ?);
+                     rewrite > assoc_plus;apply le_plus_r;
+                     rewrite < plus_n_Sm;
+                     rewrite < plus_n_O;
+                     apply lt_plus;rewrite > times_n_SO in \vdash (? % ?);
+                     apply lt_times_r1;assumption;
+                    |apply le_times
+                       [assumption
+                       |assumption]]
+                 |rewrite < H4;apply le_times
+                    [apply lt_to_le;assumption
+                    |apply lt_to_le;simplify;rewrite < times_n_SO;assumption]]
+             |rewrite < H3;simplify;rewrite < times_n_SO;do 2 apply lt_to_le;assumption]]
+        |simplify;apply le_exp_log;assumption]
+     |rewrite < H1;simplify;apply le_n]]
+qed.
+
+(* monotonicity *)
+theorem monotonic_sqrt: monotonic nat le sqrt.
+unfold.intros.
+unfold sqrt in ⊢ (? ? (% ?)).
+apply f_m_to_le_max
+  [apply (trans_le ? ? ? ? H).
+   apply le_sqrt_n_n
+  |apply le_to_leb_true.
+   apply (trans_le ? ? ? ? H). 
+   apply leq_sqrt_n
+  ]
+qed.
+   
+