new levels.

pull/43/head
Jon Eugster 3 years ago
parent 8e3af92c03
commit 90540b158f

@ -3,7 +3,7 @@ import TestGame.Metadata
import TestGame.Levels.Proposition
import TestGame.Levels.Implication
import TestGame.Levels.Predicate
import TestGame.Levels.Proving
import TestGame.Levels.Contradiction
import TestGame.Levels.Prime
import TestGame.Levels.Naturals.L31_Sum
@ -63,7 +63,6 @@ Conclusion
"There is nothing else so far. Thanks for rescuing natural numbers!"
Path Proposition → Implication → Predicate → Proving
Path Proposition → Implication → Predicate → Contradiction
Path Predicate → Prime
Path Predicate → Nat2

@ -0,0 +1,6 @@
import TestGame.Levels.Contradiction.L01_Have
import TestGame.Levels.Contradiction.L02_Suffices
import TestGame.Levels.Contradiction.L03_ByContra
import TestGame.Levels.Contradiction.L04_ByContra
import TestGame.Levels.Contradiction.L05_Contrapose
import TestGame.Levels.Contradiction.L06_Summary

@ -0,0 +1,67 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.LeftRight
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Contradiction"
Level 1
Title "Have"
Introduction
"
Manchmal, wollen wir nicht am aktuellen Goal arbeiten, sondern zuerst ein
Zwischenresultat beweisen, welches wir dann benützen können.
Mit `have [Name] : [Aussage]` kann man ein Zwischenresultat erstellen,
dass man anschliessen beweisen muss.
Wenn du zum Beispiel die Annahmen `(h : A → ¬ B)` und `(ha : A)` hast, kannst
du mit
```
have g : ¬ B
apply h
assumption
```
eine neue Annahme `(g : ¬ B)` erstellen. Danach beweist du zuerst diese Annahme,
bevor du dann mit dem Beweis forfährst.
"
Statement
"Angenommen, man hat eine Implikation $A \\Rightarrow \\neg B$ und weiss, dass
$A \\land B$ wahr ist. Zeige, dass dies zu einem Widerspruch führt."
(A B : Prop) (h : A → ¬ B) (g : A ∧ B) : False := by
rcases g with ⟨h₁, h₂⟩
have h₃ : ¬ B
apply h
assumption
contradiction
Message (A : Prop) (B : Prop) (h : A → ¬ B) (g : A ∧ B) : False =>
" Fang mal damit an, das UND in den Annahmen mit `rcases` aufzuteilen.
"
Message (A : Prop) (B : Prop) (h : A → ¬ B) (g : A) (f : B) : False =>
" Auf Deutsch: \"Als Zwischenresultat haben wir `¬ B`.\"
In Lean :
```
have k : ¬ B
[Beweis von k]
```
"
example (n : ) : n.succ + 2 = n + 3 := by
ring_nf
Conclusion ""
Tactics contradiction rcases haveₓ assumption apply
Lemmas Even Odd not_even not_odd

@ -0,0 +1,65 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.LeftRight
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Contradiction"
Level 2
Title "Suffices"
Introduction
"
Die Taktik `suffices` funktioniert genau gleich wie `have`,
vertauscht aber die beiden Beweisblöcke:
```
suffices h : [Aussage]
[Beweis des Goals (mithilfe von h)]
[Beweis der Aussage h]
```
Auf Deutsch entspricht `suffices h : [Aussage]` dem Ausdruck
\"Es genügt zu zeigen, dass `[Aussage]` wahr ist.\"
Man kann `have` und `suffices` nach belieben vertauschen. Bevorzugt, wählt man es so,
dass der erste Beweisblock der kürzere ist. Zum Beispiel wäre bei der vorigen Aufgabe
`suffices` schöner gewesen:
"
Statement
"Angenommen, man hat eine Implikation $A \\Rightarrow \\neg B$ und weiss, dass
$A \\land B$ wahr ist. Zeige, dass dies zu einem Widerspruch führt."
(A B : Prop) (h : A → ¬ B) (g : A ∧ B) : False := by
rcases g with ⟨h₁, h₂⟩
suffices k : ¬ B
contradiction
apply h
assumption
Message (A : Prop) (B : Prop) (h : A → ¬ B) (g : A ∧ B) : False =>
" Fang mal damit an, das UND in den Annahmen mit `rcases` aufzuteilen.
"
Message (A : Prop) (B : Prop) (h : A → ¬ B) (g : A) (f : B) : False =>
" Auf Deutsch: \"Es genügt `¬ B` zu zeigen, da dies zu einem direkten Widerspruch führt.\"
In Lean :
```
suffices k : ¬ B
contradiction
[...]
```
"
Conclusion ""
Tactics contradiction apply assumption rcases sufficesₓ
Lemmas Even Odd not_even not_odd

@ -0,0 +1,55 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.LeftRight
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import Mathlib
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Contradiction"
Level 3
Title "Per Widerspruch"
Introduction
"
Eine sehr nützliche Beweismethode ist per Widerspruch.
Wir habe schon gesehen, dass `contradiction` einen Widerspruch in den Annahmen
sucht, und damit jegliches beweisen kann.
Um dorthin zu kommen, können wir `by_contra h` brauchen, welches das aktuelle
Goal auf `False` setzt und die Negierung des Goals als Annahme hinzufügt.
Insbesondere braucht man `by_contra h` meistens, wenn im Goal eine Negierung
steht:
"
Statement
"Angenommen $B$ ist falsch und es gilt $A \\Rightarrow B$. Zeige, dass $A$ falsch sein
muss."
(A B : Prop) (h : A → B) (b : ¬ B) : ¬ A := by
by_contra a
suffices b : B
contradiction
apply h
assumption
Hint (A : Prop) (B : Prop) (h : A → B) (b : ¬ B) : ¬ A =>
"`by_contra h` nimmt das Gegenteil des Goal als Annahme `(h : A)` und setzt das
Goal auf `False`."
Message (A : Prop) (B : Prop) (h : A → B) (b : ¬ B) (a : A) : False =>
"Jetzt kannst du mit `suffices` oder `have` Fortschritt machen."
Hint (A : Prop) (B : Prop) (h : A → B) (b : ¬ B) (a : A) : False =>
"Zum Beispiel `suffices hb : B`."
Conclusion ""
Tactics by_contra sufficesₓ haveₓ contradiction apply assumption

@ -0,0 +1,49 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.LeftRight
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import Mathlib
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Contradiction"
Level 4
Title "Per Widerspruch"
Introduction
"
Als Übung zu `by_contra` und dem bisher gelernten, zeige folgendes Lemma welches
wir für die Kontraposition brauchen werden:
"
Statement not_imp_not
"$A \\Rightarrow B$ ist äquivalent zu $\\neg B \\Rightarrow \\neg A$."
(A B : Prop) : A → B ↔ (¬ B → ¬ A) := by
constructor
intro h b
by_contra a
suffices b : B
contradiction
apply h
assumption
intro h a
by_contra b
suffices g : ¬ A
contradiction
apply h
assumption
-- TODO: Forbidden Tactics: apply, rw
-- TODO: forbidden Lemma: not_not
Hint (A : Prop) (B : Prop) : A → B ↔ (¬ B → ¬ A) =>
""
Conclusion ""
Tactics contradiction constructor intro by_contra sufficesₓ haveₓ apply assumption

@ -0,0 +1,65 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Contradiction"
Level 5
Title "Kontraposition"
Introduction
"
Ein Beweis durch Kontraposition benützt im Grunde das eben bewiesene Lemma
```
lemma not_imp_not (A B : Prop) : (A → B) ↔ (¬ B → ¬ A) := by
[...]
```
Dazu gibt es die Taktik `contrapose`, welche eine Implikation im Goal
entsprechend umdreht.
Wir erinnern hier an die Taktik `revert h`, die aus der Annahme `h` eine Implikation
im Goal erstellt.
Im Gegensatz dazu kann man auch einen Beweis durch Kontraposition führen.
Das ist kein Widerspruch, sondern benützt dass `A → B` und `(¬ B) → (¬ A)`
logisch equivalent sind.
Wenn das Goal eine Implikation ist, kann man `contrapose` anwenden.
"
Statement
"Ist n² ungerade, so ist auch n ungerade. Beweise durch Kontraposition."
(n : ) (h : Odd (n ^ 2)): Odd n := by
revert h
contrapose
rw [not_odd]
rw [not_odd]
apply even_square
Hint (n : ) (h : Odd (n ^ 2)) : Odd n =>
"Um `contrapose` anzuwenden, brauchen wir eine Implikation `Odd (n ^ 2) → Odd n` im
Goal. Benutze `revert h`!"
Message (n : ) : Odd (n ^ 2) → Odd n =>
"Mit `contrapose` kann man die Implikation zu
`¬ (Not n) → ¬ (Odd n^2)` umkehren."
Message (n : ) : ¬Odd n → ¬Odd (n ^ 2) => "Erinnere dich an das Lemma `not_odd`."
Hint (n : ) : ¬Odd n → ¬Odd (n ^ 2) => "Dieses kann mit `rw` gebraucht werden."
Message (n : ) : Even n → ¬Odd (n ^ 2) =>
"rw [not_odd] muss hier zweimal angewendet werden."
Message (n : ) : Even n → Even (n ^ 2) =>
"Diese Aussage hast du bereits als Lemma bewiesen, schau mal in der Bibliothek."
Tactics contrapose rw apply
Lemmas Even Odd not_even not_odd even_square

@ -0,0 +1,76 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Proving"
Level 6
Title "Contradiction"
Introduction
"
In diesem Kapitel hast du also folgende Taktiken kennengelernt:
| | Taktik | Beispiel |
|:------|:----------------|:-------------------------------------------------------|
| 16 | `have` | Zwischenresultat annehmen. |
| 17 | `suffices` | Zwischenresultat annehmen. |
| 18 | `by_contra` | Widerspruch. (startet einen Widerspruch) |
| *3* | `contradiction` | *(Schliesst einen Widerspruchsbeweis)* |
| 19 | `contrapose` | Contraposition. |
| *9* | `revert` | Nützlich um danach `contrapose` anzuwenden. |
Als Vergleich zwischen Beweisen \"per Widerspruch\"
und \"per Kontraposition\", beweise die Gleiche Aufgabe indem
du mit `by_contra` einen Widerspruch suchst.
"
Statement
"Ist n² ungerade, so ist auch n ungerade. Beweise durch Widerspruch."
(n : ) (h : Odd (n ^ 2)) : Odd n := by
by_contra g
suffices d : ¬ Odd (n ^ 2)
contradiction
rw [not_odd] at *
apply even_square
assumption
Hint (n : ) (h : Odd (n^2)) : Odd n =>
"Schreibe `by_contra h₁` um einen Beweis durch Widerspruch zu starten."
Message (n : ) (g : ¬ Odd n) (h : Odd (n^2)) : False =>
"
Am sinnvollsten ist es, hier einen Widerspruch zu `Odd (n^2)` zu suchen.
Dafür kannst du
```
suffices k : ¬ Odd (n ^ 2)
contradiction
```
benützen.
"
Hint (n : ) (g : ¬ Odd (n^2)) (h : Odd (n^2)) : False =>
"Hier brauchst du nur `contradiction`."
Message (n : ) (g : ¬ Odd n) (h : Odd (n^2)) : ¬ Odd (n^2) =>
"Das Zwischenresultat `¬Odd (n^2)` muss auch bewiesen werden.
Hier ist wieder das Lemma `not_Odd` hilfreich."
Hint (n : ) (g : ¬ Odd n) (h : Odd (n^2)) : Even (n^2) =>
"Mit `rw [not_Odd] at *` kannst du im Goal und allen Annahmen gleichzeitig umschreiben."
Message (n: ) (h : Odd (n ^ 2)) (g : Even n) : Even (n ^ 2) =>
"Diese Aussage hast du bereits als Lemma bewiesen."
Hint (n: ) (h : Odd (n ^ 2)) (g : Even n) : Even (n ^ 2) =>
"Probiers mit `apply ...`"
Tactics contradiction by_contra rw apply assumption -- TODO: suffices, have
Lemmas Odd Even not_odd not_even even_square

@ -1,37 +0,0 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Implication"
Level 102
Title "Kontraposition"
Introduction
"**Lean Trick:** Wenn das Goal nicht bereits eine Implikation ist, sondern man eine Annahme `h` hat, die
Man gerne für die Kontraposition benützen würde, kann man mit `revert h` diese als
Implikationsannahme ins Goal schreiben.
"
Statement
"Ist n² ungerade, so ist auch n ungerade. Beweise durch Kontraposition."
(n : ) (h : odd (n ^ 2)) : odd n := by
revert h
contrapose
rw [not_odd]
rw [not_odd]
apply even_square
Hint (n : ) (h : odd (n ^ 2)) : odd n =>
"Benutze `revert h` um das Goal in eine Implikation umzuschreiben."
Message (n : ) : odd (n ^ 2) → odd n =>
"Jetzt ist es genau das gleiche wie bei der letzten Aufgabe."
Tactics contrapose rw apply revert
Lemmas even odd not_even not_odd even_square

@ -0,0 +1,18 @@
import TestGame.Metadata
import Mathlib
-- -- INCORPORATED
-- example (A B : Prop) : (A → B) ↔ (¬ B → ¬A) := by
-- constructor
-- intro h nb
-- by_contra
-- have : B
-- apply h
-- assumption
-- contradiction
-- intro h a
-- by_contra
-- have : ¬ A
-- apply h
-- assumption
-- contradiction

@ -1,5 +1,9 @@
import Mathlib.Algebra.BigOperators.Basic
import Mathlib
import TestGame.Metadata
import Mathlib.Tactic.Ring
set_option tactic.hygienic false
Game "TestGame"
World "Nat2"
@ -9,15 +13,13 @@ Title "Summe"
Introduction
"
TODO: Summe
"
Statement "" : True := by
trivial
Conclusion
"
"
Statement
"Zeige $\\sum_{i=0}^{n} i = \\frac{n \\cdot {n+1}}{2}$"
(n : ) : 2 * (∑ i : Fin (n+1), ↑i) = n * (n + 1) := by
induction' n with n hn
simp
sorry -- done in Lean3.
Tactics ring
Tactics intro constructor assumption

@ -23,13 +23,8 @@ Abschlussaufgabe.
| `` | Die natürlichen Zahlen. |
| `∃` | Existential-Quantifier |
| `∀` | Forall-Quantifier |
| `even n` | `n` ist gerade |
| `odd n` | `n` ist ungerade |
| | |
| | |
| | |
| | |
| | |
| `Even n` | `n` ist gerade |
| `Odd n` | `n` ist ungerade |
## Taktiken

@ -1 +0,0 @@
import TestGame.Levels.Proving.L01_Contra

@ -1,51 +0,0 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.LeftRight
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Proving"
Level 1
Title "Ad absurdum"
Introduction
"
In diesem Kapitel lernen wir die wichtigsten Beweistechniken kennen.
Zuerst repetieren wir, dass man vorhandene Lemmas mit `rw` und `apply` benützen kann.
Aber, die Aussagen müssen wirklich exakte Gegenteile sein.
Hier musst du zuerst eines der folgenden Lemmas benützen, um einer der Terme umzuschreiben.
```
lemma not_odd (n : ): ¬ odd n ↔ even n := by
...
lemma not_even (n : ): ¬ even n ↔ odd n := by
...
```
"
Statement
"Sei $n$ eine natürliche Zahl die sowohl gerade wie auch ungerade ist.
Zeige, dass daraus $n = 42$ folgt. (oder, tatsächlich $n = x$ für jedes beliebige $x$)."
(n : ) (h_even : Even n) (h_odd : Odd n) : n = 42 := by
rw [← not_even] at h_odd
contradiction
Message (n : ) (h_even : Even n) (h_odd : Odd n) : n = 42 =>
"Schreibe zuerst eine der Aussagen mit `rw [←not_even] at h_odd` um, damit diese genaue
Gegenteile werden."
Conclusion ""
Tactics contradiction rw
Lemmas Even Odd not_even not_odd

@ -1,81 +0,0 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Proving"
Level 2
Title "Widerspruch"
Introduction
"
Zwei wichtige Beweisformen sind per Widerspruch und per Kontraposition. Hier
schauen wir beide an und auch den Unterschied.
Um einen Beweis per Widerspruch zu führen, kann man mit `by_contra h` annehmen,
dass das Gegenteil des Goals wahr sei, und dann einen Widerspruch erzeugen.
**Bemerkung:** Besonders beim Beweis durch Widerspruch ist es hilfreich, wenn man
Zwischenresultate erstellen kann.
`suffices h₁ : ¬(Odd (n ^ 2))` erstellt zwei neue Goals:
1) Ein Beweis, wieso es genügt `¬(Odd (n ^ 2))` zu zeigen (\"weil das einen Widerspruch zu
`h` bewirkt\").
2) Einen Beweis des Zwischenresultats `suffices h₁ : ¬(Odd (n ^ 2))`
Alternativ macht `have h₁ : ¬(Odd (n ^ 2))` genau das gleiche, vertauscht aber die
Beweise (1) und (2), so dass man zuerst `h₁` beweist, und dann den eigentlichen Beweis
fortsetzt.
"
Statement
"Ist n² ungerade, so ist auch n ungerade. Beweise durch Widerspruch."
(n : ) (h : Odd (n ^ 2)) : Odd n := by
by_contra g
suffices d : ¬ Odd (n ^ 2) -- TODO: I don't like this
contradiction
rw [not_odd] at g
rw [not_odd]
apply even_square
assumption
Message (n : ) (h : Odd (n^2)) : Odd n =>
"Schreibe `by_contra h₁` um einen Beweis durch Widerspruch zu starten."
Message (n : ) (g : ¬ Odd n) (h : Odd (n^2)) : False =>
"Nun *genügt es zu zeigen, dass* `¬Odd (n ^ 2)` wahr ist,
denn dann erhalten wir einen Widerspruch zu `h`.
Benütze dafür `suffices h₂ : ¬Odd (n ^ 2)`.
"
Message (n : ) (g : ¬ Odd (n^2)) (h : Odd (n^2)) : False =>
"Hier musst du rechtfertigen, wieso das genügt. In unserem Fall, weil
dadurch einen Widerspruch entsteht."
Hint (n : ) (g : ¬ Odd (n^2)) (h : Odd (n^2)) : False =>
"Also `contradiction`..."
Message (n : ) (g : ¬ Odd n) (h : Odd (n^2)) : ¬ Odd (n^2) =>
"Das Zwischenresultat `¬Odd (n^2)` muss auch bewiesen werden.
Hier ist wieder das Lemma `not_Odd` hilfreich."
Hint (n : ) (g : ¬ Odd n) (h : Odd (n^2)) : Even (n^2) =>
"Mit `rw [not_Odd] at *` kannst du im Goal und allen Annahmen gleichzeitig umschreiben."
Message (n: ) (h : Odd (n ^ 2)) (g : Even n) : Even (n ^ 2) =>
"Diese Aussage hast du bereits als Lemma bewiesen."
Hint (n: ) (h : Odd (n ^ 2)) (g : Even n) : Even (n ^ 2) =>
"Probiers mit `apply ...`"
Tactics contradiction by_contra rw apply assumption -- TODO: suffices, have
Lemmas Odd Even not_odd not_even even_square

@ -1,50 +0,0 @@
import TestGame.Metadata
import Std.Tactic.RCases
import Mathlib.Tactic.Contrapose
import Mathlib.Tactic.Use
import Mathlib.Tactic.Ring
import TestGame.ToBePorted
Game "TestGame"
World "Proving"
Level 3
Title "Kontraposition"
Introduction
"
Im Gegensatz dazu kann man auch einen Beweis durch Kontraposition führen.
Das ist kein Widerspruch, sondern benützt dass `A → B` und `(¬ B) → (¬ A)`
logisch equivalent sind.
Wenn das Goal eine Implikation ist, kann man `contrapose` anwenden.
"
Statement
"Ist n² ungerade, so ist auch n ungerade. Beweise durch Kontraposition."
(n : ) : Odd (n ^ 2) → Odd n := by
contrapose
rw [not_odd]
rw [not_odd]
apply even_square
Message (n : ) (h : Odd (n ^ 2)) : Odd n =>
"`intro` wär generell ein guter Ansatz! Aber hier wollen wir `contrapose` benützen, was eine
Implikation benötigt, deshalb ist `intro` hier der falsche Weg!"
Message (n : ) : Odd (n ^ 2) → Odd n =>
"Mit `contrapose` kann man die Implikation zu
`¬ (even n) → ¬ (even n^2)` umkehren."
Hint (n : ) : ¬Odd n → ¬Odd (n ^ 2) => "Du kennst bereits ein Lemma um `¬ odd ...` mit `rw`
umzuschreiben"
Message (n : ) : Even n → ¬Odd (n ^ 2) => "rw [not_odd] muss hier zweimal angewendet werden,
da rw das erste Mal `not_odd n` gebraucht hat und das zweite Mal `not_odd (n^2)` benützt."
Message (n : ) : Even n → Even (n ^ 2) => "Diese Aussage hast du bereits als Lemma bewiesen."
Tactics contrapose rw apply
Lemmas Even Odd not_even not_odd even_square

@ -189,12 +189,19 @@ TacticDoc use
TODO
"
TacticDoc sufficesₓ
"
## Beschreibung
TODO
"
TacticDoc haveₓ
"
## Beschreibung
TODO
"
TacticDoc induction_on
@ -236,8 +243,6 @@ Prove:
```
"
TacticDoc intro
"Useful to introduce stuff"

Loading…
Cancel
Save