关于连接列表排序的引理答案

【问题标题】：Lemma about Sortedness of concatenated lists关于连接列表排序的引理
【发布时间】：2020-08-28 14:18:30
【问题描述】：

对于列表的排序，我有以下归纳定义：


Class DecTotalOrder (A : Type) := {
  leb : A -> A -> bool;
  leb_total_dec : forall x y, {leb x y}+{leb y x};
  leb_antisym : forall x y, leb x y -> leb y x -> x = y;
  leb_trans : forall x y z, leb x y -> leb y z -> leb x z }.

Inductive Sorted {A} {dto : DecTotalOrder A} : list A -> Prop :=
| Sorted_0 : Sorted []
| Sorted_1 : forall x, Sorted [x]
| Sorted_2 : forall x y, leb x y ->
                         forall l, Sorted (y :: l) ->
                                   Sorted (x :: y :: l).

以及以下两个定义来声明一个元素x小于或等于列表中的每个元素（LeLst）并且大于或等于列表中的每个元素（LstLe）：

Definition LeLst {A} {dto : DecTotalOrder A} (x : A) (l : list A) :=
  List.Forall (leb x) l.

Definition LstLe {A} {dto : DecTotalOrder A} (x : A) (l : list A) := 
   List.Forall (fun y => leb y x) l.

我试图证明以下关于排序的引理，它基本上表明如果我们知道 h 大于或等于 l 中的每个元素并且 h 小于或等于 l' 中的每个元素，我们可以将它放在二：

Lemma lem_lstle_lelst {A} {dto: DecTotalOrder A} : forall h l l',
LstLe h l -> LeLst h l' -> Sorted (l ++ h :: l').

这似乎很直观，但我每次都被困在证明中。这是我目前的尝试：

Lemma lem_lstle_lelst {A} {dto: DecTotalOrder A} : forall h l l',
LstLe h l -> LeLst h l' -> Sorted (l ++ h :: l').
Proof.
intros h l l' H_LstLe.
induction H_LstLe.
- intros. simpl. Search (Sorted (_ :: _)).
  unfold LeLst in H. Search (List.Forall _ _).
  induction l'.
  + constructor.
  + Search (List.Forall _ _). 
    constructor. 
      { hauto use: List.Forall_inv. }
      { generalize (List.Forall_inv_tail H).
        intros.
        generalize (List.Forall_inv H).
        intros. 
        generalize (IHl' H0).
        intros.
        generalize (lem_sorted_tail H2).
        intros.

但是我被困在这里，因为假设似乎不够强大：

1 subgoal
A : Type
dto : DecTotalOrder A
h, a : A
l' : list A
H : List.Forall (fun x : A => leb h x) (a :: l')
IHl' : List.Forall (fun x : A => leb h x) l' -> Sorted (h :: l')
H0 : List.Forall (fun x : A => leb h x) l'
H1 : leb h a
H2 : Sorted (h :: l')
H3 : Sorted l'
______________________________________(1/1)
Sorted (a :: l')

如果有人能给我一个提示，我会很高兴，也许我的定义有问题，这就是为什么我无法继续证明？还是我只是错过了一些我可以使用的策略？

这是一个已经证明关于排序的词条列表：

Lemma lem_sorted_tail {A} {dto : DecTotalOrder A}{l x} :
  Sorted (x :: l) -> Sorted l.

Lemma lem_sorted_prepend {A} {dto: DecTotalOrder A} : forall x l l',
  Sorted((x :: l) ++ l') -> Sorted(l ++ l').

Lemma lem_sort_conc_mid {A} {dto: DecTotalOrder A} : forall x y l, 
  Sorted (x :: y :: l) -> Sorted (x :: l).

【问题讨论】：

如前所述，这似乎无法证明：您有LstLe 3 [2; 1]，但没有Sorted ([2 ; 1] ++ 3 :: [])。您缺少的是 l 和 l' 本身是排序的。

标签： sorting coq proof induction

【解决方案1】：

正如评论中所述，引理不可证明。相反，它的定义必须通过添加关于l的排序属性来扩展和l':

引理 lem_lstle_lelst {A} {dto: DecTotalOrder A} : forall h l l', LstLe h l -> LeLst h l' -> 已排序 l -> 已排序 l' -> 已排序 (l ++ h :: l')。

这可以通过以下方式证明：

Proof.
intros h l l' H_Lstle_h_l.
induction H_Lstle_h_l.
- intros H_Lelst_h_l' H_Sort_1 H_Sort_2.
  simpl;inversion H_Lelst_h_l';sauto.
- intros H_Lelst_h_l' H_Sort_1 H_Sort_2.
  generalize (lem_sorted_tail H_Sort_1).
  intros H_Sort_l.
  generalize (IHH_Lstle_h_l H_Lelst_h_l' H_Sort_l H_Sort_2).
  intros H_Sort_l_h_l'.
  generalize (lem_sorted_lelst x l H_Sort_1).
  intros H_Lelst_x_l.
  hauto use: lem_Sorted_prepend_inv.
Qed.

引入新的辅助词条：

Lemma lem_Sorted_prepend_inv {A} {dto: DecTotalOrder A} : 
  forall x h l l', leb x h ->  Sorted(l ++ h :: l') -> LeLst x l -> Sorted(x::l++ h::l').

Lemma lem_sorted_lelst {A} {dto: DecTotalOrder A} :
  forall x l, Sorted(x :: l) -> LeLst x l.

【讨论】：