全射/単射の分裂

Fixes #882

Examples/Solution/InverseSurjInj.lean

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+/- # 全射・単射と左逆・右逆写像
+
+関数 `f : A → B` が**全射**であるとは、任意の `b : B` に対して `f a = b` となる `a : A` が存在することをいいます。また、`f` が**単射**であるとは、任意の `a₁, a₂ : A` に対して `f a₁ = f a₂` ならば `a₁ = a₂` となることをいいます。
+
+これを Lean で表現すると次のようになります。
+-/
+set_option autoImplicit false --#
+set_option relaxedAutoImplicit false --#
+
+variable {A B : Type}
+
+/-- 関数の全射性 -/
+def Function.Surjective (f : A → B) : Prop := ∀ b, ∃ a, f a = b
+
+/-- 関数の単射性 -/
+def Function.Injective (f : A → B) : Prop := ∀ {a₁ a₂ : A}, f a₁ = f a₂ → a₁ = a₂
+
+/- 一見すると、全射と単射はペアになる概念とは思えないかもしれません。束縛変数の数も違いますし、意味上もまったく独立した概念のように見えます。
+
+しかし、`A` が空でないと仮定すれば、選択原理 [`Classical.choice`](../Declarative/Axiom.md#ClassicalChoice) を使うことによって、全射 `f : A → B` があれば逆方向の単射 `g : B → A` が構成でき、逆に単射 `f : A → B` があれば逆方向の全射 `g : B → A` を構成することができます。
+
+ある意味で、全射と単射はペアをなす概念であると言えるかもしれないですね。今回の演習問題のテーマはこの定理です。
+-/
+
+/- ## 問1: 全射から逆方向の単射
+まずは、全射 `f : A → B` が存在すれば逆方向の単射 `g : B → A` も存在することを示しましょう。
+
+実際にはより強く、`f ∘ g = id` を満たすような `g` が構成できます。一般に、`f ∘ g = id` が成り立つとき、`g` を `f` の右逆写像であるとか、切断(section)であるとかいいます。
+-/
+
+-- 選択原理を使用する
+open Function Classical
+
+/-- 全射 `f : A → B` があれば、選択原理を使用することにより
+単射 `g : B → A` を作ることができる。-/
+theorem surj_to_inj (f : A → B) (hsurj : Surjective f)
+    : ∃ g : B → A, Injective g := by
+  -- まず `g` を構成する。
+  -- 任意の `b : B` に対して `f` の全射性より
+  -- `f a = b` となる `a : A` が存在するのでそれを返す。
+  --##--
+  let g' : (b : B) → {a : A // f a = b} := fun b =>
+    have h : ∃ a, f a = b := hsurj b
+    ⟨Classical.choose h, Classical.choose_spec h⟩
+  --##--
+  let g : B → A := fun b => /- sorry -/ (g' b).val
+
+  -- `g` の定義と `f` の全射性から、`f (g b) = b` が成り立つ。
+  have gdef : ∀ b, f (g b) = b := by
+    -- sorry
+    intro b
+    rw [show g b = (g' b).val from rfl]
+    simp_all [(g' b).property]
+    -- sorry
+
+  -- `g` が単射であることを示したい。
+  -- それには、`f ∘ g = id` を示せば十分。
+  suffices ∀ b, f (g b) = b from by
+    -- sorry
+    exists g
+    intro b₁ b₂ h
+    replace h : b₁ = b₂ := calc
+      _ = f (g b₁) := by rw [this]
+      _ = f (g b₂) := by rw [h]
+      _ = _ := by rw [this]
+    exact h
+    -- sorry
+
+  -- 後は `f ∘ g = id` を示せば良いが、これは既に示した。
+  exact gdef
+
+/- ## 問2: 単射から逆方向の全射
+次に `f : A → B` が単射であれば、逆方向の全射 `g : B → A` も存在することを示しましょう。
+
+これも実際にはより強く、`g ∘ f = id` を満たすような `g` が構成できます。一般に、`g ∘ f = id` が成り立つとき、`g` を `f` の左逆写像であるとか、引き込み(retraction)であるとかいいます。
+-/
+
+/-- 単射 `f : A → B` があれば、選択原理を使用することにより
+全射 `g : B → A` を作ることができる。 -/
+theorem inj_to_surj [Inhabited A] (f : A → B) (hinj : Injective f)
+    : ∃ g : B → A, Surjective g := by
+  -- まず `g` を構成する。
+  -- `g b` の値を構成するために、`b : B` が `f` の像に入っているかで場合分けをし、
+  -- 入っていなければ適当な値、入っていれば `b = f a` となる `a` を返すようにする。
+  let g : B → A := fun b => /- sorry -/
+    if h : ∃ a, f a = b then Classical.choose h --##
+    else default --##
+
+  -- `g` の定義と `f` の単射性から、`g (f a) = a` が成り立つ。
+  have gdef : ∀ a, g (f a) = a := by
+    -- sorry
+    -- `a : A` が与えられたとする。
+    intro a
+
+    -- `g` の定義を展開する
+    dsimp only [g]
+
+    -- `f a` は明らかに `f` の像に入っているということを利用して、
+    -- `g` の定義の中の `if` 式を簡約する。
+    split
+    case isFalse h =>
+      have : ∃ a₁, f a₁ = f a := ⟨a, rfl⟩
+      simp_all [this]
+
+    -- 後は `f` の単射性から従う。
+    case isTrue h =>
+      have := Classical.choose_spec h
+      apply hinj
+      assumption
+    -- sorry
+
+  -- `g` が全射であることを示したい。
+  -- それには、`g ∘ f = id` を示せば十分。
+  suffices ∀ a, g (f a) = a from by
+    -- sorry
+    exists g
+    intro a
+    exists f a
+    apply this
+    -- sorry
+
+  -- 後は `g ∘ f = id` を示せば良いが、これは既に示した。
+  exact gdef

Exercise/InverseSurjInj.lean

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+/- # 全射・単射と左逆・右逆写像
+
+関数 `f : A → B` が**全射**であるとは、任意の `b : B` に対して `f a = b` となる `a : A` が存在することをいいます。また、`f` が**単射**であるとは、任意の `a₁, a₂ : A` に対して `f a₁ = f a₂` ならば `a₁ = a₂` となることをいいます。
+
+これを Lean で表現すると次のようになります。
+-/
+set_option autoImplicit false --#
+set_option relaxedAutoImplicit false --#
+
+variable {A B : Type}
+
+/-- 関数の全射性 -/
+def Function.Surjective (f : A → B) : Prop := ∀ b, ∃ a, f a = b
+
+/-- 関数の単射性 -/
+def Function.Injective (f : A → B) : Prop := ∀ {a₁ a₂ : A}, f a₁ = f a₂ → a₁ = a₂
+
+/- 一見すると、全射と単射はペアになる概念とは思えないかもしれません。束縛変数の数も違いますし、意味上もまったく独立した概念のように見えます。
+
+しかし、`A` が空でないと仮定すれば、選択原理 [`Classical.choice`](../Declarative/Axiom.md#ClassicalChoice) を使うことによって、全射 `f : A → B` があれば逆方向の単射 `g : B → A` が構成でき、逆に単射 `f : A → B` があれば逆方向の全射 `g : B → A` を構成することができます。
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+ある意味で、全射と単射はペアをなす概念であると言えるかもしれないですね。今回の演習問題のテーマはこの定理です。
+-/
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+/- ## 問1: 全射から逆方向の単射
+まずは、全射 `f : A → B` が存在すれば逆方向の単射 `g : B → A` も存在することを示しましょう。
+
+実際にはより強く、`f ∘ g = id` を満たすような `g` が構成できます。一般に、`f ∘ g = id` が成り立つとき、`g` を `f` の右逆写像であるとか、切断(section)であるとかいいます。
+-/
+
+-- 選択原理を使用する
+open Function Classical
+
+/-- 全射 `f : A → B` があれば、選択原理を使用することにより
+単射 `g : B → A` を作ることができる。-/
+theorem surj_to_inj (f : A → B) (hsurj : Surjective f)
+    : ∃ g : B → A, Injective g := by
+  -- まず `g` を構成する。
+  -- 任意の `b : B` に対して `f` の全射性より
+  -- `f a = b` となる `a : A` が存在するのでそれを返す。
+  let g : B → A := fun b => sorry
+
+  -- `g` の定義と `f` の全射性から、`f (g b) = b` が成り立つ。
+  have gdef : ∀ b, f (g b) = b := by
+    sorry
+
+  -- `g` が単射であることを示したい。
+  -- それには、`f ∘ g = id` を示せば十分。
+  suffices ∀ b, f (g b) = b from by
+    sorry
+
+  -- 後は `f ∘ g = id` を示せば良いが、これは既に示した。
+  exact gdef
+
+/- ## 問2: 単射から逆方向の全射
+次に `f : A → B` が単射であれば、逆方向の全射 `g : B → A` も存在することを示しましょう。
+
+これも実際にはより強く、`g ∘ f = id` を満たすような `g` が構成できます。一般に、`g ∘ f = id` が成り立つとき、`g` を `f` の左逆写像であるとか、引き込み(retraction)であるとかいいます。
+-/
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+/-- 単射 `f : A → B` があれば、選択原理を使用することにより
+全射 `g : B → A` を作ることができる。 -/
+theorem inj_to_surj [Inhabited A] (f : A → B) (hinj : Injective f)
+    : ∃ g : B → A, Surjective g := by
+  -- まず `g` を構成する。
+  -- `g b` の値を構成するために、`b : B` が `f` の像に入っているかで場合分けをし、
+  -- 入っていなければ適当な値、入っていれば `b = f a` となる `a` を返すようにする。
+  let g : B → A := fun b => sorry
+
+  -- `g` の定義と `f` の単射性から、`g (f a) = a` が成り立つ。
+  have gdef : ∀ a, g (f a) = a := by
+    sorry
+
+  -- `g` が全射であることを示したい。
+  -- それには、`g ∘ f = id` を示せば十分。
+  suffices ∀ a, g (f a) = a from by
+    sorry
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+  -- 後は `g ∘ f = id` を示せば良いが、これは既に示した。
+  exact gdef

src/SUMMARY.md

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   - [床屋のパラドクス](./Exercise/BarberParadox.md)
   - [騎士と悪党のパズル](./Exercise/KnightAndKnave.md)
   - [「ならば」の定義を疑う](./Exercise/DoubtImplication.md)
+  - [全射・単射と左逆・右逆写像](./Exercise/InverseSurjInj.md)
   - [Cantorの定理](./Exercise/CantorTheorem.md)
   - [Cantorの対関数の全単射性](./Exercise/CantorPairing.md)
   - [Heying代数とBool代数](./Exercise/HeytingAndBooleanAlgebra.md)