MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  algcvg Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem algcvg 16538
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 𝑋𝑆 is not a fixed point of 𝐹, then (𝐶‘(𝐹𝑋)) < (𝐶𝑋).

If 𝐶 is a countdown function for algorithm 𝐹, the sequence (𝐶‘(𝑅𝑘)) 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:𝑆𝑆
algcvg.2 𝑅 = seq0((𝐹 ∘ 1st ), (ℕ0 × {𝐴}))
algcvg.3 𝐶:𝑆⟶ℕ0
algcvg.4 (𝑧𝑆 → ((𝐶‘(𝐹𝑧)) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹𝑧)) < (𝐶𝑧)))
algcvg.5 𝑁 = (𝐶𝐴)
Assertion
Ref Expression
algcvg (𝐴𝑆 → (𝐶‘(𝑅𝑁)) = 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.
StepHypRef Expression
1 nn0uz 12886 . . . 4 0 = (ℤ‘0)
2 algcvg.2 . . . 4 𝑅 = seq0((𝐹 ∘ 1st ), (ℕ0 × {𝐴}))
3 0zd 12592 . . . 4 (𝐴𝑆 → 0 ∈ ℤ)
4 id 22 . . . 4 (𝐴𝑆𝐴𝑆)
5 algcvg.1 . . . . 5 𝐹:𝑆𝑆
65a1i 11 . . . 4 (𝐴𝑆𝐹:𝑆𝑆)
71, 2, 3, 4, 6algrf 16535 . . 3 (𝐴𝑆𝑅:ℕ0𝑆)
8 algcvg.5 . . . 4 𝑁 = (𝐶𝐴)
9 algcvg.3 . . . . 5 𝐶:𝑆⟶ℕ0
109ffvelcdmi 7087 . . . 4 (𝐴𝑆 → (𝐶𝐴) ∈ ℕ0)
118, 10eqeltrid 2832 . . 3 (𝐴𝑆𝑁 ∈ ℕ0)
12 fvco3 6991 . . 3 ((𝑅:ℕ0𝑆𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘𝑁) = (𝐶‘(𝑅𝑁)))
137, 11, 12syl2anc 583 . 2 (𝐴𝑆 → ((𝐶𝑅)‘𝑁) = (𝐶‘(𝑅𝑁)))
14 fco 6741 . . . 4 ((𝐶:𝑆⟶ℕ0𝑅:ℕ0𝑆) → (𝐶𝑅):ℕ0⟶ℕ0)
159, 7, 14sylancr 586 . . 3 (𝐴𝑆 → (𝐶𝑅):ℕ0⟶ℕ0)
16 0nn0 12509 . . . . . 6 0 ∈ ℕ0
17 fvco3 6991 . . . . . 6 ((𝑅:ℕ0𝑆 ∧ 0 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘0) = (𝐶‘(𝑅‘0)))
187, 16, 17sylancl 585 . . . . 5 (𝐴𝑆 → ((𝐶𝑅)‘0) = (𝐶‘(𝑅‘0)))
191, 2, 3, 4algr0 16534 . . . . . 6 (𝐴𝑆 → (𝑅‘0) = 𝐴)
2019fveq2d 6895 . . . . 5 (𝐴𝑆 → (𝐶‘(𝑅‘0)) = (𝐶𝐴))
2118, 20eqtrd 2767 . . . 4 (𝐴𝑆 → ((𝐶𝑅)‘0) = (𝐶𝐴))
228, 21eqtr4id 2786 . . 3 (𝐴𝑆𝑁 = ((𝐶𝑅)‘0))
237ffvelcdmda 7088 . . . . 5 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (𝑅𝑘) ∈ 𝑆)
24 2fveq3 6896 . . . . . . . 8 (𝑧 = (𝑅𝑘) → (𝐶‘(𝐹𝑧)) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))))
2524neeq1d 2995 . . . . . . 7 (𝑧 = (𝑅𝑘) → ((𝐶‘(𝐹𝑧)) ≠ 0 ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) ≠ 0))
26 fveq2 6891 . . . . . . . 8 (𝑧 = (𝑅𝑘) → (𝐶𝑧) = (𝐶‘(𝑅𝑘)))
2724, 26breq12d 5155 . . . . . . 7 (𝑧 = (𝑅𝑘) → ((𝐶‘(𝐹𝑧)) < (𝐶𝑧) ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) < (𝐶‘(𝑅𝑘))))
2825, 27imbi12d 344 . . . . . 6 (𝑧 = (𝑅𝑘) → (((𝐶‘(𝐹𝑧)) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹𝑧)) < (𝐶𝑧)) ↔ ((𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) < (𝐶‘(𝑅𝑘)))))
29 algcvg.4 . . . . . 6 (𝑧𝑆 → ((𝐶‘(𝐹𝑧)) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹𝑧)) < (𝐶𝑧)))
3028, 29vtoclga 3561 . . . . 5 ((𝑅𝑘) ∈ 𝑆 → ((𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) < (𝐶‘(𝑅𝑘))))
3123, 30syl 17 . . . 4 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) ≠ 0 → (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) < (𝐶‘(𝑅𝑘))))
32 peano2nn0 12534 . . . . . . 7 (𝑘 ∈ ℕ0 → (𝑘 + 1) ∈ ℕ0)
33 fvco3 6991 . . . . . . 7 ((𝑅:ℕ0𝑆 ∧ (𝑘 + 1) ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) = (𝐶‘(𝑅‘(𝑘 + 1))))
347, 32, 33syl2an 595 . . . . . 6 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) = (𝐶‘(𝑅‘(𝑘 + 1))))
351, 2, 3, 4, 6algrp1 16536 . . . . . . 7 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (𝑅‘(𝑘 + 1)) = (𝐹‘(𝑅𝑘)))
3635fveq2d 6895 . . . . . 6 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (𝐶‘(𝑅‘(𝑘 + 1))) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))))
3734, 36eqtrd 2767 . . . . 5 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))))
3837neeq1d 2995 . . . 4 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) ≠ 0 ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) ≠ 0))
39 fvco3 6991 . . . . . 6 ((𝑅:ℕ0𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘𝑘) = (𝐶‘(𝑅𝑘)))
407, 39sylan 579 . . . . 5 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘𝑘) = (𝐶‘(𝑅𝑘)))
4137, 40breq12d 5155 . . . 4 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) < ((𝐶𝑅)‘𝑘) ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) < (𝐶‘(𝑅𝑘))))
4231, 38, 413imtr4d 294 . . 3 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) ≠ 0 → ((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) < ((𝐶𝑅)‘𝑘)))
4315, 22, 42nn0seqcvgd 16532 . 2 (𝐴𝑆 → ((𝐶𝑅)‘𝑁) = 0)
4413, 43eqtr3d 2769 1 (𝐴𝑆 → (𝐶‘(𝑅𝑁)) = 0)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 395   = wceq 1534  wcel 2099  wne 2935  {csn 4624   class class class wbr 5142   × cxp 5670  ccom 5676  wf 6538  cfv 6542  (class class class)co 7414  1st c1st 7985  0cc0 11130  1c1 11131   + caddc 11133   < clt 11270  0cn0 12494  seqcseq 13990
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1790  ax-4 1804  ax-5 1906  ax-6 1964  ax-7 2004  ax-8 2101  ax-9 2109  ax-10 2130  ax-11 2147  ax-12 2164  ax-ext 2698  ax-sep 5293  ax-nul 5300  ax-pow 5359  ax-pr 5423  ax-un 7734  ax-cnex 11186  ax-resscn 11187  ax-1cn 11188  ax-icn 11189  ax-addcl 11190  ax-addrcl 11191  ax-mulcl 11192  ax-mulrcl 11193  ax-mulcom 11194  ax-addass 11195  ax-mulass 11196  ax-distr 11197  ax-i2m1 11198  ax-1ne0 11199  ax-1rid 11200  ax-rnegex 11201  ax-rrecex 11202  ax-cnre 11203  ax-pre-lttri 11204  ax-pre-lttrn 11205  ax-pre-ltadd 11206  ax-pre-mulgt0 11207
This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 396  df-or 847  df-3or 1086  df-3an 1087  df-tru 1537  df-fal 1547  df-ex 1775  df-nf 1779  df-sb 2061  df-mo 2529  df-eu 2558  df-clab 2705  df-cleq 2719  df-clel 2805  df-nfc 2880  df-ne 2936  df-nel 3042  df-ral 3057  df-rex 3066  df-reu 3372  df-rab 3428  df-v 3471  df-sbc 3775  df-csb 3890  df-dif 3947  df-un 3949  df-in 3951  df-ss 3961  df-pss 3963  df-nul 4319  df-if 4525  df-pw 4600  df-sn 4625  df-pr 4627  df-op 4631  df-uni 4904  df-iun 4993  df-br 5143  df-opab 5205  df-mpt 5226  df-tr 5260  df-id 5570  df-eprel 5576  df-po 5584  df-so 5585  df-fr 5627  df-we 5629  df-xp 5678  df-rel 5679  df-cnv 5680  df-co 5681  df-dm 5682  df-rn 5683  df-res 5684  df-ima 5685  df-pred 6299  df-ord 6366  df-on 6367  df-lim 6368  df-suc 6369  df-iota 6494  df-fun 6544  df-fn 6545  df-f 6546  df-f1 6547  df-fo 6548  df-f1o 6549  df-fv 6550  df-riota 7370  df-ov 7417  df-oprab 7418  df-mpo 7419  df-om 7865  df-1st 7987  df-2nd 7988  df-frecs 8280  df-wrecs 8311  df-recs 8385  df-rdg 8424  df-er 8718  df-en 8956  df-dom 8957  df-sdom 8958  df-pnf 11272  df-mnf 11273  df-xr 11274  df-ltxr 11275  df-le 11276  df-sub 11468  df-neg 11469  df-nn 12235  df-n0 12495  df-z 12581  df-uz 12845  df-fz 13509  df-seq 13991
This theorem is referenced by:  algcvga  16541
  Copyright terms: Public domain W3C validator