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Las funciones con inversa por la derecha son suprayectivas

En Lean4, que \(g\) es una inversa por la izquierda de \(f\) está definido por

   LeftInverse (g : β  α) (f : α  β) : Prop :=
       x, g (f x) = x

que \(g\) es una inversa por la derecha de \(f\) está definido por

   RightInverse (g : β  α) (f : α  β) : Prop :=
      LeftInverse f g

y que \(f\) tenga inversa por la derecha está definido por

   HasRightInverse (f : α  β) : Prop :=
       g : β  α, RightInverse g f

Finalmente, que \(f\) es suprayectiva está definido por

   def Surjective (f : α  β) : Prop :=
       b,  a, f a = b

Demostrar con Lean4 que si la función \(f\) tiene inversa por la derecha, entonces \(f\) es suprayectiva.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

import Mathlib.Tactic
open Function

variable {α β: Type _}
variable {f : α  β}

example
  (hf : HasRightInverse f)
  : Surjective f :=
by sorry

1. Demostración en lenguaje natural

Sea \(f: A → B\) y \(g: B → A\) una inversa por la derecha de \(f\). Entonces, \[ (∀y ∈ B)[f(g(y)) = y] \tag{1} \]

Para demostrar que \(f\) es subprayectiva, sea \(b ∈ B\). Entonces, \(g(b) ∈ A\) y, por (1), \[ f(g(b) = b \]

2. Demostraciones con Lean4

import Mathlib.Tactic
open Function

variable {α β: Type _}
variable {f : α  β}

-- 1ª demostración
-- ===============

example
  (hf : HasRightInverse f)
  : Surjective f :=
by
  unfold Surjective
  -- ⊢ ∀ (b : β), ∃ a, f a = b
  unfold HasRightInverse at hf
  -- hf : ∃ finv, Function.RightInverse finv f
  cases' hf with g hg
  -- g : β → α
  -- hg : Function.RightInverse g f
  intro b
  -- b : β
  -- ⊢ ∃ a, f a = b
  use g b
  -- ⊢ f (g b) = b
  exact hg b

-- 2ª demostración
-- ===============

example
  (hf : HasRightInverse f)
  : Surjective f :=
by
  intro b
  -- b : β
  -- ⊢ ∃ a, f a = b
  cases' hf with g hg
  -- g : β → α
  -- hg : Function.RightInverse g f
  use g b
  -- ⊢ f (g b) = b
  exact hg b

-- 3ª demostración
-- ===============

example
  (hf : HasRightInverse f)
  : Surjective f :=
by
  intro b
  -- b : β
  -- ⊢ ∃ a, f a = b
  cases' hf with g hg
  -- g : β → α
  -- hg : Function.RightInverse g f
  exact g b, hg b

-- 4ª demostración
-- ===============

example
  (hf : HasRightInverse f)
  : Surjective f :=
HasRightInverse.surjective hf

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

-- #check (HasRightInverse.surjective : HasRightInverse f → Surjective f)

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

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

theory Las_funciones_con_inversa_por_la_derecha_son_suprayectivas
imports Main
begin

definition tiene_inversa_dcha :: "('a ⇒ 'b) ⇒ bool" where
  "tiene_inversa_dcha f ⟷ (∃g. ∀y. f (g y) = y)"

(* 1ª demostración *)

lemma
  assumes "tiene_inversa_dcha f"
  shows   "surj f"
proof (unfold surj_def; intro allI)
  fix y
  obtain g where "∀y. f (g y) = y"
    using assms tiene_inversa_dcha_def by auto
  then have "f (g y) = y"
    by (rule allE)
  then have "y = f (g y)"
    by (rule sym)
  then show "∃x. y = f x"
    by (rule exI)
qed

(* 2ª demostración *)
lemma
  assumes "tiene_inversa_dcha f"
  shows   "surj f"
proof (unfold surj_def; intro allI)
  fix y
  obtain g where "∀y. f (g y) = y"
    using assms tiene_inversa_dcha_def by auto
  then have "y = f (g y)"
    by simp
  then show "∃x. y = f x"
    by (rule exI)
qed

(* 3ª demostración *)

lemma
  assumes "tiene_inversa_dcha f"
  shows   "surj f"
proof (unfold surj_def; intro allI)
  fix y
  obtain g where "∀y. f (g y) = y"
    using assms tiene_inversa_dcha_def by auto
  then show "∃x. y = f x"
    by metis
qed

(* 4ª demostración *)

lemma
  assumes "tiene_inversa_dcha f"
  shows   "surj f"
proof (unfold surj_def; intro allI)
  fix y
  show "∃x. y = f x"
    using assms tiene_inversa_dcha_def
    by metis
qed

(* 5ª demostración *)

lemma
  assumes "tiene_inversa_dcha f"
  shows   "surj f"
using assms tiene_inversa_dcha_def surj_def
by metis

end