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

Theorem algcvg 16623
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 12945 . . . 4 0 = (ℤ‘0)
2 algcvg.2 . . . 4 𝑅 = seq0((𝐹 ∘ 1st ), (ℕ0 × {𝐴}))
3 0zd 12651 . . . 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 16620 . . 3 (𝐴𝑆𝑅:ℕ0𝑆)
8 algcvg.5 . . . 4 𝑁 = (𝐶𝐴)
9 algcvg.3 . . . . 5 𝐶:𝑆⟶ℕ0
109ffvelcdmi 7117 . . . 4 (𝐴𝑆 → (𝐶𝐴) ∈ ℕ0)
118, 10eqeltrid 2848 . . 3 (𝐴𝑆𝑁 ∈ ℕ0)
12 fvco3 7021 . . 3 ((𝑅:ℕ0𝑆𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘𝑁) = (𝐶‘(𝑅𝑁)))
137, 11, 12syl2anc 583 . 2 (𝐴𝑆 → ((𝐶𝑅)‘𝑁) = (𝐶‘(𝑅𝑁)))
14 fco 6771 . . . 4 ((𝐶:𝑆⟶ℕ0𝑅:ℕ0𝑆) → (𝐶𝑅):ℕ0⟶ℕ0)
159, 7, 14sylancr 586 . . 3 (𝐴𝑆 → (𝐶𝑅):ℕ0⟶ℕ0)
16 0nn0 12568 . . . . . 6 0 ∈ ℕ0
17 fvco3 7021 . . . . . 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 16619 . . . . . 6 (𝐴𝑆 → (𝑅‘0) = 𝐴)
2019fveq2d 6924 . . . . 5 (𝐴𝑆 → (𝐶‘(𝑅‘0)) = (𝐶𝐴))
2118, 20eqtrd 2780 . . . 4 (𝐴𝑆 → ((𝐶𝑅)‘0) = (𝐶𝐴))
228, 21eqtr4id 2799 . . 3 (𝐴𝑆𝑁 = ((𝐶𝑅)‘0))
237ffvelcdmda 7118 . . . . 5 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (𝑅𝑘) ∈ 𝑆)
24 2fveq3 6925 . . . . . . . 8 (𝑧 = (𝑅𝑘) → (𝐶‘(𝐹𝑧)) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))))
2524neeq1d 3006 . . . . . . 7 (𝑧 = (𝑅𝑘) → ((𝐶‘(𝐹𝑧)) ≠ 0 ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) ≠ 0))
26 fveq2 6920 . . . . . . . 8 (𝑧 = (𝑅𝑘) → (𝐶𝑧) = (𝐶‘(𝑅𝑘)))
2724, 26breq12d 5179 . . . . . . 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 3589 . . . . 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 12593 . . . . . . 7 (𝑘 ∈ ℕ0 → (𝑘 + 1) ∈ ℕ0)
33 fvco3 7021 . . . . . . 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 16621 . . . . . . 7 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (𝑅‘(𝑘 + 1)) = (𝐹‘(𝑅𝑘)))
3635fveq2d 6924 . . . . . 6 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (𝐶‘(𝑅‘(𝑘 + 1))) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))))
3734, 36eqtrd 2780 . . . . 5 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) = (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))))
3837neeq1d 3006 . . . 4 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → (((𝐶𝑅)‘(𝑘 + 1)) ≠ 0 ↔ (𝐶‘(𝐹‘(𝑅𝑘))) ≠ 0))
39 fvco3 7021 . . . . . 6 ((𝑅:ℕ0𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘𝑘) = (𝐶‘(𝑅𝑘)))
407, 39sylan 579 . . . . 5 ((𝐴𝑆𝑘 ∈ ℕ0) → ((𝐶𝑅)‘𝑘) = (𝐶‘(𝑅𝑘)))
4137, 40breq12d 5179 . . . 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 16617 . 2 (𝐴𝑆 → ((𝐶𝑅)‘𝑁) = 0)
4413, 43eqtr3d 2782 1 (𝐴𝑆 → (𝐶‘(𝑅𝑁)) = 0)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 395   = wceq 1537  wcel 2108  wne 2946  {csn 4648   class class class wbr 5166   × cxp 5698  ccom 5704  wf 6569  cfv 6573  (class class class)co 7448  1st c1st 8028  0cc0 11184  1c1 11185   + caddc 11187   < clt 11324  0cn0 12553  seqcseq 14052
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1793  ax-4 1807  ax-5 1909  ax-6 1967  ax-7 2007  ax-8 2110  ax-9 2118  ax-10 2141  ax-11 2158  ax-12 2178  ax-ext 2711  ax-sep 5317  ax-nul 5324  ax-pow 5383  ax-pr 5447  ax-un 7770  ax-cnex 11240  ax-resscn 11241  ax-1cn 11242  ax-icn 11243  ax-addcl 11244  ax-addrcl 11245  ax-mulcl 11246  ax-mulrcl 11247  ax-mulcom 11248  ax-addass 11249  ax-mulass 11250  ax-distr 11251  ax-i2m1 11252  ax-1ne0 11253  ax-1rid 11254  ax-rnegex 11255  ax-rrecex 11256  ax-cnre 11257  ax-pre-lttri 11258  ax-pre-lttrn 11259  ax-pre-ltadd 11260  ax-pre-mulgt0 11261
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 847  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1540  df-fal 1550  df-ex 1778  df-nf 1782  df-sb 2065  df-mo 2543  df-eu 2572  df-clab 2718  df-cleq 2732  df-clel 2819  df-nfc 2895  df-ne 2947  df-nel 3053  df-ral 3068  df-rex 3077  df-reu 3389  df-rab 3444  df-v 3490  df-sbc 3805  df-csb 3922  df-dif 3979  df-un 3981  df-in 3983  df-ss 3993  df-pss 3996  df-nul 4353  df-if 4549  df-pw 4624  df-sn 4649  df-pr 4651  df-op 4655  df-uni 4932  df-iun 5017  df-br 5167  df-opab 5229  df-mpt 5250  df-tr 5284  df-id 5593  df-eprel 5599  df-po 5607  df-so 5608  df-fr 5652  df-we 5654  df-xp 5706  df-rel 5707  df-cnv 5708  df-co 5709  df-dm 5710  df-rn 5711  df-res 5712  df-ima 5713  df-pred 6332  df-ord 6398  df-on 6399  df-lim 6400  df-suc 6401  df-iota 6525  df-fun 6575  df-fn 6576  df-f 6577  df-f1 6578  df-fo 6579  df-f1o 6580  df-fv 6581  df-riota 7404  df-ov 7451  df-oprab 7452  df-mpo 7453  df-om 7904  df-1st 8030  df-2nd 8031  df-frecs 8322  df-wrecs 8353  df-recs 8427  df-rdg 8466  df-er 8763  df-en 9004  df-dom 9005  df-sdom 9006  df-pnf 11326  df-mnf 11327  df-xr 11328  df-ltxr 11329  df-le 11330  df-sub 11522  df-neg 11523  df-nn 12294  df-n0 12554  df-z 12640  df-uz 12904  df-fz 13568  df-seq 14053
This theorem is referenced by:  algcvga  16626
  Copyright terms: Public domain W3C validator