陶哲轩必备助手之人工智能数学验证+定理发明工具LEAN4 [线性代数篇2]矩阵乘积的行列式变形(上篇)

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陶哲轩必备助手之人工智能数学验证+定理发明工具LEAN4 [线性代数篇2]矩阵乘积的行列式变形(上篇)_哔哩哔哩_bilibili

import Mathlib.LinearAlgebra.Matrix.Determinant

import Mathlib.GroupTheory.Perm.Fin

import Mathlib.GroupTheory.Perm.Sign

import Mathlib.Data.Real.Sqrt

import Mathlib.Data.List.Perm

-- 本文件最终目标是证明行列式中矩阵相乘的运算规律:第二篇

-- det (M * N) = det M * det N

universe u v w z

open Equiv Equiv.Perm Finset Function

namespace Matrix --目的是避免模糊定义mul_apply

open Matrix BigOperators

variable {m n : Type*} [DecidableEq n] [Fintype n] [DecidableEq m] [Fintype m]

variable {R : Type v} [CommRing R]

local notation "ε " σ:arg => ((sign σ : ℤ) : R) -- “元编程”,创造新符号,ε 接收一个参数,结果就是sign σ

set_option linter.unusedVariables false --

-- 没讲到的部分会分别用“前置知识”视频发出来,先记???


 

def detRowAlternating2

: AlternatingMap R (n → R) R n --- 最后这个参数n属于补充说明,实际形式上只需传三个参数即可

:=

MultilinearMap.alternatization ( -- ???基本的要素都齐了,求和,连乘,全体置换,置换的符号。具体逻辑还不懂

(MultilinearMap.mkPiAlgebra R n R).compLinearMap

LinearMap.proj)

abbrev det2 (M : Matrix n n R): R :=

(detRowAlternating2) M

def printPerms (n : ℕ) : List (List ℕ) :=

List.map List.reverse (List.permutations (List.range n))

-- Perm n

-- #eval printPerms 4

-- #eval printPerms 3


 

-- 正式开始:

lemma MainGoal_1 (M N : Matrix n n R):

det (M * N)

= ∑ p : n → n,

∑ σ : Perm n,

(ε σ)

*

∏ i,

M (σ i) (p i) * N (p i) i

:= by

simp only [det_apply']

simp only [mul_apply]

simp only [prod_univ_sum] -- ???与"先连加,再连乘,等于,先连乘,再连加",还有笛卡尔积“全覆盖”,相关的定理

-- 如何理解Fintype.piFinset t

-- 假设 t 是一个从集合 {1, 2} 到有限集合的映射,其中 t(1) = {a, b},t(2) = {x, y}。

-- 那么 Fintype.piFinset t 就表示集合 {(a, x), (a, y), (b, x), (b, y)},即这两个集合的笛卡尔积。

-- 举例说明prod_univ_sum

-- 首先,让我们假设集合α包含元素1和2,对应的集合分别为t1和t2。而且我们有以下映射关系:

-- t1 = {a, b}, t2 = {x, y}

-- 对应的函数f如下:

-- f(1, a) = 2, f(1, b) = 3, f(2, x) = 1, f(2, y) = 4

-- 现在我们来计算左侧和右侧的值。

-- 左侧:(∏ a, ∑ b in t a, f a b)

-- = (∑ b in t1, f(1, b)) * (∑ b in t2, f(2, b))

-- = (f(1, a) + f(1, b)) * (f(2, x) + f(2, y))

-- = (2 + 3) * (1 + 4)

-- = 5 * 5

-- = 25

-- 右侧:∑ p in Fintype.piFinset t, ∏ x, f x (p x)

-- = f(1, a) * f(2, x) + f(1, a) * f(2, y) + f(1, b) * f(2, x) + f(1, b) * f(2, y)

-- = 2 * 1 + 2 * 4 + 3 * 1 + 3 * 4

-- = 2 + 8 + 3 + 12

-- = 25

-- 因此,根据 Finset.prod_univ_sum 定理,左侧和右侧的值相等,都等于25。

simp only [mul_sum] --???用gpt举个例子来理解

simp only [Fintype.piFinset_univ] --???Fintype.piFinset的使用 -- 1,2,3 =》 3,2,1

rw [Finset.sum_comm] --???两阶求和顺序互换的相关定理

done

lemma MainGoal_2 (M N : Matrix n n R):

∑ p : n → n,

∑ σ : Perm n,

ε σ

*

∏ i,

M (σ i) (p i) * N (p i) i

= ∑ p in (@univ (n → n) _).filter Bijective,

∑ σ: Perm n,

(ε σ)

*

(∏ i,

M (σ i) (p i) * N (p i) i)

:= by

apply Eq.symm

apply sum_subset --s₁ ⊆ s₂, x ∈ s₂, x ∉ s₁的情况为0,则可以直接去掉

· intro h1 h2

exact mem_univ h1

· intros h3 h4 h5

apply det_mul_aux -- ???这个先不理解,后面专门出一个视频来教如何读证明并且分解证明成策略模式。

-- 一个先连乘,再连加的东西,结果是0,关键是非双射导致的,有点意思

-- 举个例子,p=[1,1],Perm 2只有两个变换:1.恒等变换,简称id;2.换位变换,简称swap

-- ε id * (M (id 1)(p 1) * N (p 1)1) * (M (id 2)(p 2) * N (p 2)2)

-- = 1 * (M 1 1 * N 1 1) * (M 2 1 * N 1 2)

-- = M 1 1 * N 1 1 * M 2 1 * N 1 2

-- ε swap * (M (swap 1)(p 1) * N (p 1)1) * (M (swap 2)(p 2) * N (p 2)2)

-- = -1 * (M 2 1 * N 1 2) * (M 1 1 * N 1 1)

-- = -M 2 1 * N 1 2 * M 1 1 * N 1 1

simp only [mem_filter] at h5 -- 就是filter的定义呗,是属于某个集合里面的,而且满足条件1

simp only [mem_univ] at h5

simp only [true_and_iff] at h5

set h6 := fun x ↦ h3 x -- 写这个h6,h7是为了补充说明,其实这里h6就是和h3同一个映射,写法不一样而已

-- have h7: h6=h3 -- 为了让大家理解

-- := by

-- exact rfl

exact h5

done

lemma MainGoal_3 (M N : Matrix n n R):

∑ p in (@univ (n → n) _).filter Bijective,

∑ σ: Perm n,

ε σ

*

(∏ i,

M (σ i) (p i) * N (p i) i)

=

∑ τ : Perm n,

∑ σ : Perm n,

(ε σ)

*

(∏ i,

M (σ i) (τ i) * N (τ i) i)

:= by

rw [sum_comm]

rw [sum_comm] -- 这两步sum_comm相当于没变,只改成了x,y

refine' sum_bij _ _ _ _ _ -- ???这个需要问一下gpt找到数学世界里的对应定理名称。

-- 不一样的定义域s、t,不同的函数f、g,求和相同,需要什么条件呢。5个条件

-- 举例:

-- 假设我们有以下集合和映射:

-- 令 α = {1, 2, 3},即集合 {1, 2, 3}。

-- 令 β = {a, b, c},即集合 {a, b, c}。

-- 令 γ = {x, y, z},即集合 {x, y, z}。

-- 定义函数 f: α → β 和 g: γ → β 如下:

-- 对于 f,我们定义 f(1) = a,f(2) = b,f(3) = c。

-- 对于 g,我们定义 g(x) = a,g(y) = b,g(z) = c。

-- 接下来,定义函数 i: α → γ 如下:

-- i(1) = x

-- i(2) = y

-- i(3) = z

-- 现在,我们可以检查定理的条件是否满足:

-- 映射关系 (h): 对于所有 a 属于 {1, 2, 3},我们有 f a = g (i a)。

-- 这是满足的,例如,对于 a = 1,我们有 f(1) = a 和 g(i(1)) = g(x) = a。

-- i 是单射 (i_inj): 如果 i a₁ = i a₂,则 a₁ = a₂。

-- 这是满足的,因为 i 的定义是一对一的,不同的 a 映射到不同的 γ 中的元素。

-- i 是满射 (i_surj): 对于任意 b 属于 {x, y, z},存在 a 属于 {1, 2, 3},使得 b = i a。

-- 这也是满足的,因为 i 的定义覆盖了整个 γ。

-- 如果这些条件满足,我们可以应用定理,从而得出:

-- [

-- \prod_{x \in {1, 2, 3}} f(x) = \prod_{x \in {x, y, z}} g(x)

-- ]

-- 即,

-- [

-- abc = abc

-- ]

· intros ih1 ih2 -- 这里ih1潜台词是随机的ih1

have ih3:= (mem_filter.mp ih2).right

have ih4:= ofBijective ih1 ih3 --???现实中的意义有待

simp only [Perm]

exact ih4 -- 如果这里定义错了,下面满盘皆输

-- 注意不能像以下这样定义

-- intros ih1 ih2

-- have ih3:= Equiv.refl n

-- simp only [Perm]

-- exact ih3

· intro h1

intro h2 --原来这里会用到refine1的证明

simp only [mem_univ]

· intros h_1 h_2

have h_3:= mem_filter.1 h_2

obtain 〈h_4,h_5〉 := h_3

simp only [id_eq]

set h_6 := ofBijective h_1 h_5 -- h_1和h_6相等吗?,由ofBijective的toFun定义知道就是h_1

-- have h1_equal_h6 : h_1=h_6 -- 为了说明而写的,因为ofBijective的实际效果是和toFun相同的,是定义导致的相同

-- := by

-- exact rfl

rfl

· intros inj_1 inj_2 inj_3 inj_4 inj_5

simp only [id_eq] at inj_5 -- 看起来很明显,但就是完成不了

ext x

have inj_6:= ofBijective_apply inj_1

have inj_7:= ofBijective_apply inj_2

have bij_inj_3:= (mem_filter.mp inj_3).right

rw [← inj_6]

rw[inj_5,

inj_7]

done

· intros b x

refine' Exists.intro b _ -- 要证明存在某个原始使得某个命题成立,只需要,给出例子,然后让例子代入后面描述的命题中,该命题为真即可。

-- 比如这里就是把a全部替换成了b

-- 如果第二个参数中不用直接替换的,比如下面这行,就直接证明第二个参数代表的命题即可

refine' Exists.intro _ _ -- 比如这里ha在第二个参数中没有需要替换的,直接证明第二个命题即可

· refine' mem_filter.mpr _

constructor

· refine' mem_univ (↑b)

· exact Equiv.bijective b

· refine' coe_fn_injective _ --在外层套了一个不变的映射

simp only [id_eq]

simp only [FunLike.coe_fn_eq]

refine' Equiv.ext _

intros x2

-- ↑(ofBijective ↑b (_ : Bijective ↑b))前面这个和↑b作用效果一样吗?查一下ofBijective的toFun := f定义就知道,就是f本身

-- 下面是进一步的探究,不看了

-- have equalTest: (ofBijective ↑b (_ : Bijective ↑b)) = b

-- := by

-- refine ((fun {α β} {e₁ e₂} ↦ Equiv.coe_inj.mp) rfl).symm

rfl

done

done




 

end Matrix

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