src/HOL/Real/ex/BinEx.thy
author paulson
Wed, 02 Jan 2002 16:06:31 +0100
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Literal arithmetic: raising numbers to powers (nat, int, real, hypreal)
wenzelm@11595
     1
(*  Title:      HOL/Real/ex/BinEx.thy
wenzelm@11595
     2
    ID:         $Id$
wenzelm@11595
     3
    Author:     Lawrence C Paulson, Cambridge University Computer Laboratory
wenzelm@11595
     4
    Copyright   1999  University of Cambridge
wenzelm@11595
     5
*)
wenzelm@7577
     6
wenzelm@11595
     7
header {* Binary arithmetic examples *}
wenzelm@11595
     8
wenzelm@11595
     9
theory BinEx = Real:
wenzelm@11595
    10
wenzelm@11595
    11
text {*
wenzelm@11595
    12
  Examples of performing binary arithmetic by simplification This time
wenzelm@11595
    13
  we use the reals, though the representation is just of integers.
wenzelm@11595
    14
*}
wenzelm@11595
    15
wenzelm@11595
    16
text {* \medskip Addition *}
wenzelm@11595
    17
wenzelm@11704
    18
lemma "(1359::real) + -2468 = -1109"
wenzelm@11595
    19
  by simp
wenzelm@11595
    20
wenzelm@11704
    21
lemma "(93746::real) + -46375 = 47371"
wenzelm@11595
    22
  by simp
wenzelm@11595
    23
wenzelm@11595
    24
wenzelm@11595
    25
text {* \medskip Negation *}
wenzelm@11595
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wenzelm@11704
    27
lemma "- (65745::real) = -65745"
wenzelm@11595
    28
  by simp
wenzelm@11595
    29
wenzelm@11704
    30
lemma "- (-54321::real) = 54321"
wenzelm@11595
    31
  by simp
wenzelm@11595
    32
wenzelm@11595
    33
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    34
text {* \medskip Multiplication *}
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    35
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    36
lemma "(-84::real) * 51 = -4284"
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    37
  by simp
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    38
wenzelm@11704
    39
lemma "(255::real) * 255 = 65025"
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    40
  by simp
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    41
wenzelm@11704
    42
lemma "(1359::real) * -2468 = -3354012"
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    43
  by simp
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    44
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    45
wenzelm@11595
    46
text {* \medskip Inequalities *}
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    47
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    48
lemma "(89::real) * 10 \<noteq> 889"
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    49
  by simp
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    50
wenzelm@11704
    51
lemma "(13::real) < 18 - 4"
wenzelm@11595
    52
  by simp
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    53
wenzelm@11704
    54
lemma "(-345::real) < -242 + -100"
wenzelm@11595
    55
  by simp
wenzelm@11595
    56
wenzelm@11704
    57
lemma "(13557456::real) < 18678654"
wenzelm@11595
    58
  by simp
wenzelm@11595
    59
paulson@12018
    60
lemma "(999999::real) \<le> (1000001 + 1) - 2"
wenzelm@11595
    61
  by simp
wenzelm@11595
    62
wenzelm@11704
    63
lemma "(1234567::real) \<le> 1234567"
wenzelm@11595
    64
  by simp
wenzelm@11595
    65
wenzelm@11595
    66
paulson@12613
    67
text {* \medskip Powers *}
paulson@12613
    68
paulson@12613
    69
lemma "2 ^ 15 = (32768::real)"
paulson@12613
    70
  by simp
paulson@12613
    71
paulson@12613
    72
lemma "-3 ^ 7 = (-2187::real)"
paulson@12613
    73
  by simp
paulson@12613
    74
paulson@12613
    75
lemma "13 ^ 7 = (62748517::real)"
paulson@12613
    76
  by simp
paulson@12613
    77
paulson@12613
    78
lemma "3 ^ 15 = (14348907::real)"
paulson@12613
    79
  by simp
paulson@12613
    80
paulson@12613
    81
lemma "-5 ^ 11 = (-48828125::real)"
paulson@12613
    82
  by simp
paulson@12613
    83
paulson@12613
    84
wenzelm@11595
    85
text {* \medskip Tests *}
wenzelm@11595
    86
paulson@12018
    87
lemma "(x + y = x) = (y = (0::real))"
wenzelm@11595
    88
  by arith
wenzelm@11595
    89
paulson@12018
    90
lemma "(x + y = y) = (x = (0::real))"
wenzelm@11595
    91
  by arith
wenzelm@11595
    92
paulson@12018
    93
lemma "(x + y = (0::real)) = (x = -y)"
wenzelm@11595
    94
  by arith
wenzelm@11595
    95
paulson@12018
    96
lemma "(x + y = (0::real)) = (y = -x)"
wenzelm@11595
    97
  by arith
wenzelm@11595
    98
wenzelm@11595
    99
lemma "((x + y) < (x + z)) = (y < (z::real))"
wenzelm@11595
   100
  by arith
wenzelm@11595
   101
wenzelm@11595
   102
lemma "((x + z) < (y + z)) = (x < (y::real))"
wenzelm@11595
   103
  by arith
wenzelm@11595
   104
wenzelm@11595
   105
lemma "(\<not> x < y) = (y \<le> (x::real))"
wenzelm@11595
   106
  by arith
wenzelm@11595
   107
wenzelm@11595
   108
lemma "\<not> (x < y \<and> y < (x::real))"
wenzelm@11595
   109
  by arith
wenzelm@11595
   110
wenzelm@11595
   111
lemma "(x::real) < y ==> \<not> y < x"
wenzelm@11595
   112
  by arith
wenzelm@11595
   113
wenzelm@11595
   114
lemma "((x::real) \<noteq> y) = (x < y \<or> y < x)"
wenzelm@11595
   115
  by arith
wenzelm@11595
   116
wenzelm@11595
   117
lemma "(\<not> x \<le> y) = (y < (x::real))"
wenzelm@11595
   118
  by arith
wenzelm@11595
   119
wenzelm@11595
   120
lemma "x \<le> y \<or> y \<le> (x::real)"
wenzelm@11595
   121
  by arith
wenzelm@11595
   122
wenzelm@11595
   123
lemma "x \<le> y \<or> y < (x::real)"
wenzelm@11595
   124
  by arith
wenzelm@11595
   125
wenzelm@11595
   126
lemma "x < y \<or> y \<le> (x::real)"
wenzelm@11595
   127
  by arith
wenzelm@11595
   128
wenzelm@11595
   129
lemma "x \<le> (x::real)"
wenzelm@11595
   130
  by arith
wenzelm@11595
   131
wenzelm@11595
   132
lemma "((x::real) \<le> y) = (x < y \<or> x = y)"
wenzelm@11595
   133
  by arith
wenzelm@11595
   134
wenzelm@11595
   135
lemma "((x::real) \<le> y \<and> y \<le> x) = (x = y)"
wenzelm@11595
   136
  by arith
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   137
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   138
lemma "\<not>(x < y \<and> y \<le> (x::real))"
wenzelm@11595
   139
  by arith
wenzelm@11595
   140
wenzelm@11595
   141
lemma "\<not>(x \<le> y \<and> y < (x::real))"
wenzelm@11595
   142
  by arith
wenzelm@11595
   143
paulson@12018
   144
lemma "(-x < (0::real)) = (0 < x)"
wenzelm@11595
   145
  by arith
wenzelm@11595
   146
paulson@12018
   147
lemma "((0::real) < -x) = (x < 0)"
wenzelm@11595
   148
  by arith
wenzelm@11595
   149
paulson@12018
   150
lemma "(-x \<le> (0::real)) = (0 \<le> x)"
wenzelm@11595
   151
  by arith
wenzelm@11595
   152
paulson@12018
   153
lemma "((0::real) \<le> -x) = (x \<le> 0)"
wenzelm@11595
   154
  by arith
wenzelm@11595
   155
wenzelm@11595
   156
lemma "(x::real) = y \<or> x < y \<or> y < x"
wenzelm@11595
   157
  by arith
wenzelm@11595
   158
paulson@12018
   159
lemma "(x::real) = 0 \<or> 0 < x \<or> 0 < -x"
wenzelm@11595
   160
  by arith
wenzelm@11595
   161
paulson@12018
   162
lemma "(0::real) \<le> x \<or> 0 \<le> -x"
wenzelm@11595
   163
  by arith
wenzelm@11595
   164
wenzelm@11595
   165
lemma "((x::real) + y \<le> x + z) = (y \<le> z)"
wenzelm@11595
   166
  by arith
wenzelm@11595
   167
wenzelm@11595
   168
lemma "((x::real) + z \<le> y + z) = (x \<le> y)"
wenzelm@11595
   169
  by arith
wenzelm@11595
   170
wenzelm@11595
   171
lemma "(w::real) < x \<and> y < z ==> w + y < x + z"
wenzelm@11595
   172
  by arith
wenzelm@11595
   173
wenzelm@11595
   174
lemma "(w::real) \<le> x \<and> y \<le> z ==> w + y \<le> x + z"
wenzelm@11595
   175
  by arith
wenzelm@11595
   176
paulson@12018
   177
lemma "(0::real) \<le> x \<and> 0 \<le> y ==> 0 \<le> x + y"
wenzelm@11595
   178
  by arith
wenzelm@11595
   179
paulson@12018
   180
lemma "(0::real) < x \<and> 0 < y ==> 0 < x + y"
wenzelm@11595
   181
  by arith
wenzelm@11595
   182
paulson@12018
   183
lemma "(-x < y) = (0 < x + (y::real))"
wenzelm@11595
   184
  by arith
wenzelm@11595
   185
paulson@12018
   186
lemma "(x < -y) = (x + y < (0::real))"
wenzelm@11595
   187
  by arith
wenzelm@11595
   188
wenzelm@11595
   189
lemma "(y < x + -z) = (y + z < (x::real))"
wenzelm@11595
   190
  by arith
wenzelm@11595
   191
wenzelm@11595
   192
lemma "(x + -y < z) = (x < z + (y::real))"
wenzelm@11595
   193
  by arith
wenzelm@11595
   194
paulson@12018
   195
lemma "x \<le> y ==> x < y + (1::real)"
wenzelm@11595
   196
  by arith
wenzelm@11595
   197
wenzelm@11595
   198
lemma "(x - y) + y = (x::real)"
wenzelm@11595
   199
  by arith
wenzelm@11595
   200
wenzelm@11595
   201
lemma "y + (x - y) = (x::real)"
wenzelm@11595
   202
  by arith
wenzelm@11595
   203
paulson@12018
   204
lemma "x - x = (0::real)"
wenzelm@11595
   205
  by arith
wenzelm@11595
   206
paulson@12018
   207
lemma "(x - y = 0) = (x = (y::real))"
wenzelm@11595
   208
  by arith
wenzelm@11595
   209
paulson@12018
   210
lemma "((0::real) \<le> x + x) = (0 \<le> x)"
wenzelm@11595
   211
  by arith
wenzelm@11595
   212
paulson@12018
   213
lemma "(-x \<le> x) = ((0::real) \<le> x)"
wenzelm@11595
   214
  by arith
wenzelm@11595
   215
paulson@12018
   216
lemma "(x \<le> -x) = (x \<le> (0::real))"
wenzelm@11595
   217
  by arith
wenzelm@11595
   218
paulson@12018
   219
lemma "(-x = (0::real)) = (x = 0)"
wenzelm@11595
   220
  by arith
wenzelm@11595
   221
wenzelm@11595
   222
lemma "-(x - y) = y - (x::real)"
wenzelm@11595
   223
  by arith
wenzelm@11595
   224
paulson@12018
   225
lemma "((0::real) < x - y) = (y < x)"
wenzelm@11595
   226
  by arith
wenzelm@11595
   227
paulson@12018
   228
lemma "((0::real) \<le> x - y) = (y \<le> x)"
wenzelm@11595
   229
  by arith
wenzelm@11595
   230
wenzelm@11595
   231
lemma "(x + y) - x = (y::real)"
wenzelm@11595
   232
  by arith
wenzelm@11595
   233
wenzelm@11595
   234
lemma "(-x = y) = (x = (-y::real))"
wenzelm@11595
   235
  by arith
wenzelm@11595
   236
wenzelm@11595
   237
lemma "x < (y::real) ==> \<not>(x = y)"
wenzelm@11595
   238
  by arith
wenzelm@11595
   239
paulson@12018
   240
lemma "(x \<le> x + y) = ((0::real) \<le> y)"
wenzelm@11595
   241
  by arith
wenzelm@11595
   242
paulson@12018
   243
lemma "(y \<le> x + y) = ((0::real) \<le> x)"
wenzelm@11595
   244
  by arith
wenzelm@11595
   245
paulson@12018
   246
lemma "(x < x + y) = ((0::real) < y)"
wenzelm@11595
   247
  by arith
wenzelm@11595
   248
paulson@12018
   249
lemma "(y < x + y) = ((0::real) < x)"
wenzelm@11595
   250
  by arith
wenzelm@11595
   251
wenzelm@11595
   252
lemma "(x - y) - x = (-y::real)"
wenzelm@11595
   253
  by arith
wenzelm@11595
   254
wenzelm@11595
   255
lemma "(x + y < z) = (x < z - (y::real))"
wenzelm@11595
   256
  by arith
wenzelm@11595
   257
wenzelm@11595
   258
lemma "(x - y < z) = (x < z + (y::real))"
wenzelm@11595
   259
  by arith
wenzelm@11595
   260
wenzelm@11595
   261
lemma "(x < y - z) = (x + z < (y::real))"
wenzelm@11595
   262
  by arith
wenzelm@11595
   263
wenzelm@11595
   264
lemma "(x \<le> y - z) = (x + z \<le> (y::real))"
wenzelm@11595
   265
  by arith
wenzelm@11595
   266
wenzelm@11595
   267
lemma "(x - y \<le> z) = (x \<le> z + (y::real))"
wenzelm@11595
   268
  by arith
wenzelm@11595
   269
wenzelm@11595
   270
lemma "(-x < -y) = (y < (x::real))"
wenzelm@11595
   271
  by arith
wenzelm@11595
   272
wenzelm@11595
   273
lemma "(-x \<le> -y) = (y \<le> (x::real))"
wenzelm@11595
   274
  by arith
wenzelm@11595
   275
wenzelm@11595
   276
lemma "(a + b) - (c + d) = (a - c) + (b - (d::real))"
wenzelm@11595
   277
  by arith
wenzelm@11595
   278
paulson@12018
   279
lemma "(0::real) - x = -x"
wenzelm@11595
   280
  by arith
wenzelm@11595
   281
paulson@12018
   282
lemma "x - (0::real) = x"
wenzelm@11595
   283
  by arith
wenzelm@11595
   284
wenzelm@11595
   285
lemma "w \<le> x \<and> y < z ==> w + y < x + (z::real)"
wenzelm@11595
   286
  by arith
wenzelm@11595
   287
wenzelm@11595
   288
lemma "w < x \<and> y \<le> z ==> w + y < x + (z::real)"
wenzelm@11595
   289
  by arith
wenzelm@11595
   290
paulson@12018
   291
lemma "(0::real) \<le> x \<and> 0 < y ==> 0 < x + (y::real)"
wenzelm@11595
   292
  by arith
wenzelm@11595
   293
paulson@12018
   294
lemma "(0::real) < x \<and> 0 \<le> y ==> 0 < x + y"
wenzelm@11595
   295
  by arith
wenzelm@11595
   296
wenzelm@11595
   297
lemma "-x - y = -(x + (y::real))"
wenzelm@11595
   298
  by arith
wenzelm@11595
   299
wenzelm@11595
   300
lemma "x - (-y) = x + (y::real)"
wenzelm@11595
   301
  by arith
wenzelm@11595
   302
wenzelm@11595
   303
lemma "-x - -y = y - (x::real)"
wenzelm@11595
   304
  by arith
wenzelm@11595
   305
wenzelm@11595
   306
lemma "(a - b) + (b - c) = a - (c::real)"
wenzelm@11595
   307
  by arith
wenzelm@11595
   308
wenzelm@11595
   309
lemma "(x = y - z) = (x + z = (y::real))"
wenzelm@11595
   310
  by arith
wenzelm@11595
   311
wenzelm@11595
   312
lemma "(x - y = z) = (x = z + (y::real))"
wenzelm@11595
   313
  by arith
wenzelm@11595
   314
wenzelm@11595
   315
lemma "x - (x - y) = (y::real)"
wenzelm@11595
   316
  by arith
wenzelm@11595
   317
wenzelm@11595
   318
lemma "x - (x + y) = -(y::real)"
wenzelm@11595
   319
  by arith
wenzelm@11595
   320
wenzelm@11595
   321
lemma "x = y ==> x \<le> (y::real)"
wenzelm@11595
   322
  by arith
wenzelm@11595
   323
paulson@12018
   324
lemma "(0::real) < x ==> \<not>(x = 0)"
wenzelm@11595
   325
  by arith
wenzelm@11595
   326
wenzelm@11595
   327
lemma "(x + y) * (x - y) = (x * x) - (y * y)"
wenzelm@11595
   328
  oops
wenzelm@11595
   329
wenzelm@11595
   330
lemma "(-x = -y) = (x = (y::real))"
wenzelm@11595
   331
  by arith
wenzelm@11595
   332
wenzelm@11595
   333
lemma "(-x < -y) = (y < (x::real))"
wenzelm@11595
   334
  by arith
wenzelm@11595
   335
wenzelm@11595
   336
lemma "!!a::real. a \<le> b ==> c \<le> d ==> x + y < z ==> a + c \<le> b + d"
wenzelm@11595
   337
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   338
wenzelm@11595
   339
lemma "!!a::real. a < b ==> c < d ==> a - d \<le> b + (-c)"
wenzelm@11595
   340
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   341
wenzelm@11595
   342
lemma "!!a::real. a \<le> b ==> b + b \<le> c ==> a + a \<le> c"
wenzelm@11595
   343
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   344
wenzelm@11595
   345
lemma "!!a::real. a + b \<le> i + j ==> a \<le> b ==> i \<le> j ==> a + a \<le> j + j"
wenzelm@11595
   346
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   347
wenzelm@11595
   348
lemma "!!a::real. a + b < i + j ==> a < b ==> i < j ==> a + a < j + j"
wenzelm@11595
   349
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   350
wenzelm@11595
   351
lemma "!!a::real. a + b + c \<le> i + j + k \<and> a \<le> b \<and> b \<le> c \<and> i \<le> j \<and> j \<le> k --> a + a + a \<le> k + k + k"
wenzelm@11595
   352
  by arith
wenzelm@11595
   353
wenzelm@11595
   354
lemma "!!a::real. a + b + c + d \<le> i + j + k + l ==> a \<le> b ==> b \<le> c
wenzelm@11595
   355
    ==> c \<le> d ==> i \<le> j ==> j \<le> k ==> k \<le> l ==> a \<le> l"
wenzelm@11595
   356
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   357
wenzelm@11595
   358
lemma "!!a::real. a + b + c + d \<le> i + j + k + l ==> a \<le> b ==> b \<le> c
wenzelm@11595
   359
    ==> c \<le> d ==> i \<le> j ==> j \<le> k ==> k \<le> l ==> a + a + a + a \<le> l + l + l + l"
wenzelm@11595
   360
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   361
wenzelm@11595
   362
lemma "!!a::real. a + b + c + d \<le> i + j + k + l ==> a \<le> b ==> b \<le> c
wenzelm@11595
   363
    ==> c \<le> d ==> i \<le> j ==> j \<le> k ==> k \<le> l ==> a + a + a + a + a \<le> l + l + l + l + i"
wenzelm@11595
   364
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   365
wenzelm@11595
   366
lemma "!!a::real. a + b + c + d \<le> i + j + k + l ==> a \<le> b ==> b \<le> c
wenzelm@11595
   367
    ==> c \<le> d ==> i \<le> j ==> j \<le> k ==> k \<le> l ==> a + a + a + a + a + a \<le> l + l + l + l + i + l"
wenzelm@11595
   368
  by (tactic "fast_arith_tac 1")
wenzelm@11595
   369
wenzelm@11595
   370
end