Imagen inversa de la unión general

José A. Alonso

30-04-2024

Demostrar con Lean4 que \[ f⁻¹\left[⋃ᵢ Bᵢ\right] = ⋃ᵢ f⁻¹[Bᵢ] \]

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

import Mathlib.Data.Set.Basic
import Mathlib.Tactic

open Set

variable {α β I : Type _}
variable (f : α → β)
variable (B : I → Set β)

example : f ⁻¹' (⋃ i, B i) = ⋃ i, f ⁻¹' (B i) :=
by sorry

1. Demostración en lenguaje natural

Tenemos que demostrar que, para todo \(x\), \[ x ∈ f⁻¹\left[⋃ᵢ Bᵢ\right] ↔ x ∈ ⋃ᵢ f⁻¹[Bᵢ] \] y lo haremos demostrando las dos implicaciones.

(⟹) Supongamos que \(x ∈ f⁻¹\left[⋃ᵢ Bᵢ\right]\). Entonces, por la definición de la imagen inversa, \[ f(x) ∈ ⋃ᵢ Bᵢ \] y, por la definición de la unión, existe un \(i\) tal que \[ f(x) ∈ Bᵢ \] y, por la definición de la imagen inversa, \[ x ∈ f⁻¹[Bᵢ] \] y, por la definición de la unión, \[ x ∈ ⋃ᵢ f⁻¹[Bᵢ] \]

(⟸) Supongamos que \(x ∈ ⋃ᵢ f⁻¹[Bᵢ]\). Entonces, por la definición de la unión, existe un \(i\) tal que \[ x ∈ f⁻¹[Bᵢ] \] y, por la definición de la imagen inversa, \[ f(x) ∈ Bᵢ \] y, por la definición de la unión, \[ f(x) ∈ ⋃ᵢ Bᵢ \] y, por la definición de la imagen inversa, \[ x ∈ f⁻¹\left[⋃ᵢ Bᵢ\right] \]

2. Demostraciones con Lean4

import Mathlib.Data.Set.Basic
import Mathlib.Tactic

open Set

variable {α β I : Type _}
variable (f : α → β)
variable (B : I → Set β)

-- 1ª demostración
-- ===============

example : f ⁻¹' (⋃ i, B i) = ⋃ i, f ⁻¹' (B i) :=
by
  ext x
  -- x : α
  -- ⊢ x ∈ f ⁻¹' ⋃ (i : I), B i ↔ x ∈ ⋃ (i : I), f ⁻¹' B i
  constructor
  . -- ⊢ x ∈ f ⁻¹' ⋃ (i : I), B i → x ∈ ⋃ (i : I), f ⁻¹' B i
    intro hx
    -- hx : x ∈ f ⁻¹' ⋃ (i : I), B i
    -- ⊢ x ∈ ⋃ (i : I), f ⁻¹' B i
    rw [mem_preimage] at hx
    -- hx : f x ∈ ⋃ (i : I), B i
    rw [mem_iUnion] at hx
    -- hx : ∃ i, f x ∈ B i
    cases' hx with i fxBi
    -- i : I
    -- fxBi : f x ∈ B i
    rw [mem_iUnion]
    -- ⊢ ∃ i, x ∈ f ⁻¹' B i
    use i
    -- ⊢ x ∈ f ⁻¹' B i
    apply mem_preimage.mpr
    -- ⊢ f x ∈ B i
    exact fxBi
  . -- ⊢ x ∈ ⋃ (i : I), f ⁻¹' B i → x ∈ f ⁻¹' ⋃ (i : I), B i
    intro hx
    -- hx : x ∈ ⋃ (i : I), f ⁻¹' B i
    -- ⊢ x ∈ f ⁻¹' ⋃ (i : I), B i
    rw [mem_preimage]
    -- ⊢ f x ∈ ⋃ (i : I), B i
    rw [mem_iUnion]
    -- ⊢ ∃ i, f x ∈ B i
    rw [mem_iUnion] at hx
    -- hx : ∃ i, x ∈ f ⁻¹' B i
    cases' hx with i xBi
    -- i : I
    -- xBi : x ∈ f ⁻¹' B i
    use i
    -- ⊢ f x ∈ B i
    rw [mem_preimage] at xBi
    -- xBi : f x ∈ B i
    exact xBi

-- 2ª demostración
-- ===============

example : f ⁻¹' (⋃ i, B i) = ⋃ i, f ⁻¹' (B i) :=
preimage_iUnion

-- 3ª demostración
-- ===============

example : f ⁻¹' (⋃ i, B i) = ⋃ i, f ⁻¹' (B i) :=
by  simp

-- Lemas usados
-- ============

-- variable (x : α)
-- variable (s : Set β)
-- variable (A : I → Set α)
-- #check (mem_iUnion : x ∈ ⋃ i, A i ↔ ∃ i, x ∈ A i)
-- #check (mem_preimage : x ∈ f ⁻¹' s ↔ f x ∈ s)
-- #check (preimage_iUnion : f ⁻¹' (⋃ i, B i) = ⋃ i, f ⁻¹' (B i))

Se puede interactuar con las demostraciones anteriores en Lean 4 Web.

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

theory Imagen_inversa_de_la_union_general
imports Main
begin

(* 1ª demostración *)

lemma "f -` (⋃ i ∈ I. B i) = (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
proof (rule equalityI)
  show "f -` (⋃ i ∈ I. B i) ⊆ (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
  proof (rule subsetI)
    fix x
    assume "x ∈ f -` (⋃ i ∈ I. B i)"
    then have "f x ∈ (⋃ i ∈ I. B i)"
      by (rule vimageD)
    then show "x ∈ (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
    proof (rule UN_E)
      fix i
      assume "i ∈ I"
      assume "f x ∈ B i"
      then have "x ∈ f -` B i"
        by (rule vimageI2)
      with ‹i ∈ I› show "x ∈ (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
        by (rule UN_I)
    qed
  qed
next
  show "(⋃ i ∈ I. f -` B i) ⊆ f -` (⋃ i ∈ I. B i)"
  proof (rule subsetI)
    fix x
    assume "x ∈ (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
    then show "x ∈ f -` (⋃ i ∈ I. B i)"
    proof (rule UN_E)
      fix i
      assume "i ∈ I"
      assume "x ∈ f -` B i"
      then have "f x ∈ B i"
        by (rule vimageD)
      with ‹i ∈ I› have "f x ∈ (⋃ i ∈ I. B i)"
        by (rule UN_I)
      then show "x ∈ f -` (⋃ i ∈ I. B i)"
        by (rule vimageI2)
    qed
  qed
qed

(* 2ª demostración *)

lemma "f -` (⋃ i ∈ I. B i) = (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
proof
  show "f -` (⋃ i ∈ I. B i) ⊆ (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
  proof
    fix x
    assume "x ∈ f -` (⋃ i ∈ I. B i)"
    then have "f x ∈ (⋃ i ∈ I. B i)" by simp
    then show "x ∈ (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
    proof
      fix i
      assume "i ∈ I"
      assume "f x ∈ B i"
      then have "x ∈ f -` B i" by simp
      with ‹i ∈ I› show "x ∈ (⋃ i ∈ I. f -` B i)" by (rule UN_I)
    qed
  qed
next
  show "(⋃ i ∈ I. f -` B i) ⊆ f -` (⋃ i ∈ I. B i)"
  proof
    fix x
    assume "x ∈ (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
    then show "x ∈ f -` (⋃ i ∈ I. B i)"
    proof
      fix i
      assume "i ∈ I"
      assume "x ∈ f -` B i"
      then have "f x ∈ B i" by simp
      with ‹i ∈ I› have "f x ∈ (⋃ i ∈ I. B i)" by (rule UN_I)
      then show "x ∈ f -` (⋃ i ∈ I. B i)" by simp
    qed
  qed
qed

(* 3ª demostración *)

lemma "f -` (⋃ i ∈ I. B i) = (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
  by (simp only: vimage_UN)

(* 4ª demostración *)

lemma "f -` (⋃ i ∈ I. B i) = (⋃ i ∈ I. f -` B i)"
  by auto

end