Theorem algcvg 16756

Description: One way to prove that an algorithm halts is to construct a countdown function 𝐶:𝑆⟶ℕ₀ whose value is guaranteed to decrease for each iteration of 𝐹 until it reaches 0. That is, if 𝑋 ∈ 𝑆 is not a fixed point of 𝐹, then (𝐶‘(𝐹‘𝑋)) < (𝐶‘𝑋).

If 𝐶 is a countdown function for algorithm 𝐹, the sequence (𝐶‘(𝑅‘𝑘)) reaches 0 after at most 𝑁 steps, where 𝑁 is the value of 𝐶 for the initial state 𝐴. (Contributed by Paul Chapman, 22-Jun-2011.)

Hypotheses

Ref	Expression
algcvg.1	⊢ 𝐹:𝑆⟶𝑆
algcvg.2	⊢ 𝑅 = seq0((𝐹 ∘ 1st ), (ℕ0 × {𝐴}))
algcvg.3	⊢ 𝐶:𝑆⟶ℕ0
algcvg.4	⊢ (𝑧 ∈ 𝑆 → ((𝐶‘(𝐹‘𝑧)) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘𝑧)) < (𝐶‘𝑧)))
algcvg.5	⊢ 𝑁 = (𝐶‘𝐴)

Assertion

Ref	Expression
algcvg	⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → (𝐶‘(𝑅‘𝑁)) = 0)

Distinct variable groups:   𝑧,𝐶   𝑧,𝐹   𝑧,𝑅   𝑧,𝑆

Allowed substitution hints:   𝐴(𝑧)   𝑁(𝑧)

Proof of Theorem algcvg

Dummy variable 𝑘 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nn0uz 13006	. . . 4 ⊢ ℕ0 = (ℤ≥‘0)
2		algcvg.2	. . . 4 ⊢ 𝑅 = seq0((𝐹 ∘ 1st ), (ℕ0 × {𝐴}))
3		0zd 12708	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → 0 ∈ ℤ)
4		id 23	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → 𝐴 ∈ 𝑆)
5		algcvg.1	. . . . 5 ⊢ 𝐹:𝑆⟶𝑆
6	5	a1i 11	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → 𝐹:𝑆⟶𝑆)
7	1, 2, 3, 4, 6	algrf 16753	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → 𝑅:ℕ0⟶𝑆)
8		algcvg.5	. . . 4 ⊢ 𝑁 = (𝐶‘𝐴)
9		algcvg.3	. . . . 5 ⊢ 𝐶:𝑆⟶ℕ0
10	9	ffvelcdmi 7083	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → (𝐶‘𝐴) ∈ ℕ0)
11	8, 10	eqeltrid 2864	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → 𝑁 ∈ ℕ0)
12		fvco3 6985	. . 3 ⊢ ((𝑅:ℕ0⟶𝑆 ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘𝑁) = (𝐶‘(𝑅‘𝑁)))
13	7, 11, 12	syl2anc 596	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘𝑁) = (𝐶‘(𝑅‘𝑁)))
14		fco 6734	. . . 4 ⊢ ((𝐶:𝑆⟶ℕ0 ∧ 𝑅:ℕ0⟶𝑆) → (𝐶 ∘ 𝑅):ℕ0⟶ℕ0)
15	9, 7, 14	sylancr 599	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → (𝐶 ∘ 𝑅):ℕ0⟶ℕ0)
16		0nn0 12624	. . . . . 6 ⊢ 0 ∈ ℕ0
17		fvco3 6985	. . . . . 6 ⊢ ((𝑅:ℕ0⟶𝑆 ∧ 0 ∈ ℕ0) → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘0) = (𝐶‘(𝑅‘0)))
18	7, 16, 17	sylancl 598	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘0) = (𝐶‘(𝑅‘0)))
19	1, 2, 3, 4	algr0 16752	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → (𝑅‘0) = 𝐴)
20	19	fveq2d 6889	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → (𝐶‘(𝑅‘0)) = (𝐶‘𝐴))
21	18, 20	eqtrd 2795	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘0) = (𝐶‘𝐴))
22	8, 21	eqtr4id 2814	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → 𝑁 = ((𝐶 ∘ 𝑅)‘0))
23	7	ffvelcdmda 7084	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (𝑅‘𝑘) ∈ 𝑆)
24		2fveq3 6890	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑧 = (𝑅‘𝑘) → (𝐶‘(𝐹‘𝑧)) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))))
25	24	neeq1d 3014	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = (𝑅‘𝑘) → ((𝐶‘(𝐹‘𝑧)) ≠ 0 ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) ≠ 0))
26		fveq2 6885	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑧 = (𝑅‘𝑘) → (𝐶‘𝑧) = (𝐶‘(𝑅‘𝑘)))
27	24, 26	breq12d 5115	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = (𝑅‘𝑘) → ((𝐶‘(𝐹‘𝑧)) < (𝐶‘𝑧) ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) < (𝐶‘(𝑅‘𝑘))))
28	25, 27	imbi12d 347	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = (𝑅‘𝑘) → (((𝐶‘(𝐹‘𝑧)) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘𝑧)) < (𝐶‘𝑧)) ↔ ((𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) < (𝐶‘(𝑅‘𝑘)))))
29		algcvg.4	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 ∈ 𝑆 → ((𝐶‘(𝐹‘𝑧)) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘𝑧)) < (𝐶‘𝑧)))
30	28, 29	vtoclga 3536	. . . . 5 ⊢ ((𝑅‘𝑘) ∈ 𝑆 → ((𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) < (𝐶‘(𝑅‘𝑘))))
31	23, 30	syl 18	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) < (𝐶‘(𝑅‘𝑘))))
32		peano2nn0 12649	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 → (𝑘 + 1) ∈ ℕ0)
33		fvco3 6985	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑅:ℕ0⟶𝑆 ∧ (𝑘 + 1) ∈ ℕ0) → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘(𝑘 + 1)) = (𝐶‘(𝑅‘(𝑘 + 1))))
34	7, 32, 33	syl2an 608	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘(𝑘 + 1)) = (𝐶‘(𝑅‘(𝑘 + 1))))
35	1, 2, 3, 4, 6	algrp1 16754	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (𝑅‘(𝑘 + 1)) = (𝐹‘(𝑅‘𝑘)))
36	35	fveq2d 6889	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (𝐶‘(𝑅‘(𝑘 + 1))) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))))
37	34, 36	eqtrd 2795	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘(𝑘 + 1)) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))))
38	37	neeq1d 3014	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (((𝐶 ∘ 𝑅)‘(𝑘 + 1)) ≠ 0 ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) ≠ 0))
39		fvco3 6985	. . . . . 6 ⊢ ((𝑅:ℕ0⟶𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘𝑘) = (𝐶‘(𝑅‘𝑘)))
40	7, 39	sylan 592	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘𝑘) = (𝐶‘(𝑅‘𝑘)))
41	37, 40	breq12d 5115	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (((𝐶 ∘ 𝑅)‘(𝑘 + 1)) < ((𝐶 ∘ 𝑅)‘𝑘) ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅‘𝑘))) < (𝐶‘(𝑅‘𝑘))))
42	31, 38, 41	3imtr4d 297	. . 3 ⊢ ((𝐴 ∈ 𝑆 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (((𝐶 ∘ 𝑅)‘(𝑘 + 1)) ≠ 0 → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘(𝑘 + 1)) < ((𝐶 ∘ 𝑅)‘𝑘)))
43	15, 22, 42	nn0seqcvgd 16750	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → ((𝐶 ∘ 𝑅)‘𝑁) = 0)
44	13, 43	eqtr3d 2797	1 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → (𝐶‘(𝑅‘𝑁)) = 0)

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   = wceq 1569   ∈ wcel 2144   ≠ wne 2955  {csn 4584   class class class wbr 5102   × cxp 5648   ∘ ccom 5654  ⟶wf 6534  ‘cfv 6538  (class class class)co 7420  1^st c1st 7999  0cc0 11203  1c1 11204   + caddc 11206   < clt 11346  ℕ₀cn0 12609  seqcseq 14147

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5326  ax-pr 5390  ax-un 7751  ax-cnex 11259  ax-resscn 11260  ax-1cn 11261  ax-icn 11262  ax-addcl 11263  ax-addrcl 11264  ax-mulcl 11265  ax-mulrcl 11266  ax-mulcom 11267  ax-addass 11268  ax-mulass 11269  ax-distr 11270  ax-i2m1 11271  ax-1ne0 11272  ax-1rid 11273  ax-rnegex 11274  ax-rrecex 11275  ax-cnre 11276  ax-pre-lttri 11277  ax-pre-lttrn 11278  ax-pre-ltadd 11279  ax-pre-mulgt0 11280

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3847  df-ss 3896  df-pss 4014  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-nul 4279  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4585  df-pr 4587  df-op 4835  df-uni 4867  df-iun 4952  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5545  df-eprel 5550  df-po 5558  df-so 5559  df-fr 5603  df-we 5605  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6540  df-fn 6541  df-f 6542  df-f1 6543  df-fo 6544  df-f1o 6545  df-fv 6546  df-riota 7377  df-ov 7423  df-oprab 7424  df-mpo 7425  df-om 7878  df-1st 8001  df-2nd 8002  df-frecs 8302  df-wrecs 8333  df-recs 8382  df-rdg 8421  df-er 8720  df-en 8977  df-dom 8978  df-sdom 8979  df-pnf 11348  df-mnf 11349  df-xr 11350  df-ltxr 11351  df-le 11352  df-sub 11546  df-neg 11547  df-nn 12339  df-n0 12610  df-z 12697  df-uz 12969  df-fz 13643  df-seq 14148

This theorem is used by:  algcvga  16759