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Reto 10: Si aₙ → L con L ≠ 0, entonces |aₙ| ≥ |L|/2 eventualmente

El reto de esta semana consiste en demostrar en Lean 4 que si una sucesión converge a un límite no nulo, entonces sus términos están eventualmente acotados inferiormente por la mitad del valor absoluto del límite; es decir, si una sucesión \(a_n\) converge a \(L\) con \(L ≠ 0\), entonces existe \(k\) tal que para todo \(n ≥ k\) se tiene que \(|aₙ| ≥ \dfrac{|L|}{2}\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean 4:

import Mathlib.Data.Real.Basic
import Mathlib.Tactic

def LimSuc (a : ℕ → ℝ) (L : ℝ) : Prop :=
  ∀ ε > 0, ∃ k : ℕ, ∀ n ≥ k, |a n - L| < ε

variable {a : ℕ → ℝ}
variable {L : ℝ}

example
  (ha : LimSuc a L)
  (hL : L ≠ 0)
  : ∃ k, ∀ n ≥ k, |a n| ≥ |L| / 2 :=
by sorry

1. Demostración en lenguaje natural

Puesto que \(L ≠ 0\), se tiene que \[ \dfrac{|L|}{2} > 0 \] y, como \(a\) converge a \(L\), existe un \(k\) tal que \[ ∀ n ≥ k, |aₙ - L| < \dfrac{|L|}{2} \tag{1} \] Veamos que \[ ∀ n ≥ k, |aₙ| ≥ \dfrac{|L|}{2} \] En efecto, sea \(n ≥ k\). Entonces, por (1), \[ |aₙ - L| < \dfrac{|L|}{2} \tag{2} \] Además, \[ \begin{array}{llll} |L| &= |aₙ + (L - aₙ)| \\ &≤ |aₙ| + |L - aₙ| \\ &= |aₙ| + |-(aₙ - L)| \\ &= |aₙ| + |aₙ - L| \\ &≤ |aₙ| + \dfrac{|L|}{2} &&\text{[por (2)]} \end{array} \] Luego, \[ |L| ≤ |aₙ| + \dfrac{|L|}{2} \] y, por tanto, \[ |aₙ| ≥ \dfrac{|L|}{2} \]

2. Demostraciones con Lean4

import Mathlib.Data.Real.Basic
import Mathlib.Tactic

def LimSuc (a : ℕ → ℝ) (L : ℝ) : Prop :=
  ∀ ε > 0, ∃ k : ℕ, ∀ n ≥ k, |a n - L| < ε

variable {a : ℕ → ℝ}
variable {L : ℝ}

-- 1ª demostración
-- ===============

example
  (ha : LimSuc a L)
  (hL : L ≠ 0)
  : ∃ k, ∀ n ≥ k, |a n| ≥ |L| / 2 :=
by
  obtain ⟨k, hk⟩ := ha (|L| / 2) (by grind)
  -- k : ℕ
  -- hk : ∀ n ≥ k, |a n - L| < |L| / 2
  use k
  -- ⊢ ∀ n ≥ k, |L| / 2 ≤ |a n|
  intro n hn
  -- n : ℕ
  -- hn : n ≥ k
  -- ⊢ |L| / 2 ≤ |a n|
  grind

-- 2ª demostración
-- ===============

example
  (ha : LimSuc a L)
  (hL : L ≠ 0)
  : ∃ k, ∀ n ≥ k,  |a n| ≥ |L| / 2 :=
by
  obtain ⟨k, hk⟩ := ha (|L| / 2) (by grind)
  -- k : ℕ
  -- hk : ∀ n ≥ k, |a n - L| < |L| / 2
  use k
  -- ⊢ ∀ n ≥ k, |L| / 2 ≤ |a n|
  intro n hn
  -- n : ℕ
  -- hn : n ≥ k
  -- ⊢ |L| / 2 ≤ |a n|
  have h3 : |a n - L| < |L| / 2 := hk n hn
  have h4 : |L| ≤ |a n| + |L| / 2 := by
    calc |L|
         = |a n + (L - a n)|    := by grind
       _ ≤ |a n| + |L - a n|    := by grind
       _ = |a n| + |-(a n - L)| := by grind
       _ = |a n| + |a n - L|    := by grind
       _ ≤ |a n| + |L| / 2      := by grind
  grind

-- 3ª demostración
-- ===============

example
  (ha : LimSuc a L)
  (hL : L ≠ 0)
  : ∃ k, ∀ n ≥ k, |a n| ≥ |L| / 2 :=
by
  obtain ⟨k, hk⟩ := ha (|L| / 2) (by positivity)
  -- k : ℕ
  -- hk : ∀ n ≥ k, |a n - L| < |L| / 2
  use k
  -- ⊢ ∀ n ≥ k, |L| / 2 ≤ |a n|
  intro n hn
  -- n : ℕ
  -- hn : n ≥ k
  -- ⊢ |L| / 2 ≤ |a n|
  have h3 : |a n - L| < |L| / 2 := hk n hn
  have h4 : |L| ≤ |a n| + |L| / 2 := by
    calc |L|
         = |a n + (L - a n)|    := by ring_nf
       _ ≤ |a n| + |L - a n|    := abs_add_le (a n) (L - a n)
       _ = |a n| + |-(a n - L)| := by ring_nf
       _ = |a n| + |a n - L|    := by congr 1 ; exact abs_neg (a n - L)
       _ ≤ |a n| + |L| / 2      := by gcongr
  linarith [h4]

-- 4ª demostración
-- ===============

example
  (ha : LimSuc a L)
  (hL : L ≠ 0)
  : ∃ k, ∀ n ≥ k, |a n| ≥ |L| / 2 :=
by
  have h1 : 0 < |L| := abs_pos.mpr hL
  have h2 : 0 < |L| / 2 := half_pos h1
  obtain ⟨k, hk⟩ := ha (|L| / 2) h2
  -- k : ℕ
  -- hk : ∀ n ≥ k, |a n - L| < |L| / 2
  use k
  -- ⊢ ∀ n ≥ k, |L| / 2 ≤ |a n|
  intro n hn
  -- n : ℕ
  -- hn : n ≥ k
  -- ⊢ |L| / 2 ≤ |a n|
  have h3 : |a n - L| < |L| / 2 := hk n hn
  have h4 : |L| ≤ |a n| + |L| / 2 := by calc
    |L| = |a n + (L - a n)|    := by ring_nf
      _ ≤ |a n| + |L - a n|    := abs_add_le (a n) (L - a n)
      _ = |a n| + |-(a n - L)| := congrArg (|a n| + |·|) (neg_sub (a n) L).symm
      _ = |a n| + |a n - L|    := congrArg (|a n| + ·) (abs_neg (a n - L))
      _ ≤ |a n| + |L| / 2      := add_le_add_right (le_of_lt h3) |a n|
  calc |L| / 2
       = |L| - |L| / 2 := (sub_half |L|).symm
     _ ≤ |a n|         := tsub_le_iff_right.mpr h4

-- 5ª demostración
-- ===============

lemma EventualmenteMayorIgMitadAbsLimitePos
  (ha : LimSuc a L)
  (hL : L ≠ 0)
  : ∃ k, ∀ n ≥ k, |a n| ≥ |L| / 2 :=
by
  obtain ⟨k, hk⟩ := ha (|L| / 2) (by grind)
  -- k : ℕ
  -- hk : ∀ n ≥ k, |a n - L| < |L| / 2
  refine ⟨k, fun _ _ => by grind⟩

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

variable (x y z : ℝ)
#check (abs_add_le x y : |x + y| ≤ |x| + |y|)
#check (abs_neg x : |(-x)| = |x|)
#check (abs_pos : 0 < |x| ↔ x ≠ 0)
#check (add_le_add_right : y ≤ z → ∀ x, x + y ≤ x + z)
#check (half_pos : 0 < x → 0 < x / 2)
#check (neg_sub x y : -(x - y) = y - x)
#check (sub_half x : x - x / 2 = x / 2)
#check (tsub_le_iff_right : x - y ≤ z ↔ x ≤ z + y)

En el siguiente vídeo se explica paso a paso la construcción de las soluciones:

Es posible consultar, modificar y ejecutar el código de estas demostraciones de forma interactiva en Lean 4 Web.