逐步主鏈
S01 · definition
操作前
z\in\mathbb{Z}操作後
z=0\ \lor\ z\in N^{+}\ \lor\ \exists n\in N^{+}:\ z=-n條件:無
規則:mko_int_def · 依賴:G1, G2, mko_int_def
葉節點依據:mko_int_def + def_unfold + set_operations_def
依 MKO,Z 由三部分組成:0、正自然數、正自然數的負數。所以判定 z∈Z,就是判定三個析取項中是否至少一個成立。這裡 −n 是 n 的加法反元素,不是「減掉 n」這個動作(G3)。
S02 · implies
操作前
7=0+1+1+1+1+1+1+1
操作後
7\in N^{+},\ -7\in\mathbb{Z}條件:無
規則:exists_intro · 依賴:S01, G1
葉節點依據:exists_intro + nat_least_inductive + set_operations_def + numeric_evaluation
7 由 0 經七次後繼得到(N1),G1 的封閉性連用七次給出 7∈N;7≠0,故 7∈N⁺。取 n=7,則 −7=−n,第三個析取項成立,依 ∃引入 −7∈Z。
S03 · implies
操作前
\text{decimal numeral }3.0操作後
3\cdot10^0+0\cdot10^{-1}=3\in N^{+}\subseteq\mathbb{Z}條件:無
規則:positional_def · 依賴:S01, G4, positional_def
葉節點依據:positional_def + power_laws + numeric_evaluation + set_operations_def
十進位符號「3.0」表示 3·10⁰+0·10⁻¹=3。3 由 0 經三次後繼得到,3∈N 且 3≠0,所以 3∈N⁺,第二個析取項成立,3∈Z。符號中的小數點不改變數值;判定整數看的是數,不是符號的外觀。
S04 · equivalent
操作前
-2.5\in\mathbb{Z}操作後
-2.5=0\ \lor\ -2.5\in N^{+}\ \lor\ \exists n\in N^{+}:\ -2.5=-n條件:無
規則:def_unfold · 依賴:S01, G4
葉節點依據:def_unfold + mko_int_def
對 −2.5(即 −5/2,N3)展開 S01 的成員條件。要證 −2.5∉Z,三個析取項都必須排除。
S05 · equivalent
操作前
-2.5=-n
操作後
n=2.5
條件:無
規則:eq_congruence · 依賴:G3, eq_congruence
葉節點依據:eq_congruence + add_inverse + add_comm + add_assoc + add_zero
兩邊同加 n+2.5:左邊 −2.5+(n+2.5)=n,右邊 −n+(n+2.5)=2.5(加法交換、結合與反元素),得 n=2.5。反向:n=2.5 時,兩邊同取加法反元素得 −n=−2.5。所以「−2.5 等於某個 −n」恰好等於「n=2.5」。
S06 · implies
操作前
T_3=\{0,1,2\}\cup\{x\in\mathbb{R}\mid x\ge 3\}操作後
N\subseteq T_3
條件:無
規則:L_N_T3 · 依賴:G1, L_N_T3
葉節點依據:L_N_T3
依引理 L_N_T3,每個自然數要不是 0、1、2,就是 ≥3。所以 2 與 3 之間沒有自然數,而且每個自然數都 ≥0。引理在 S06.1、S06.2 證明。
S07 · implies
操作前
N\subseteq T_3
操作後
2.5\notin N,\ -2.5\notin N
條件:無
規則:contrapositive · 依賴:S06, G4
葉節點依據:contrapositive + subset_def + order_basics + numeric_evaluation
2.5 不等於 0、1、2,且 2.5<3,所以 2.5∉T₃;−2.5<0,而 T₃ 的元素都 ≥0,所以 −2.5∉T₃。因 N⊆T₃,依逆否 2.5∉N、−2.5∉N。
S08 · implies
操作前
\text{the three disjuncts of S04}操作後
-2.5\notin\mathbb{Z}條件:無
規則:de_morgan_logic · 依賴:S04, S05, S07
葉節點依據:de_morgan_logic + set_operations_def + quantifier_negation
第一項:−2.5≠0。第二項:−2.5∉N,所以也不在 N⁺⊆N 中。第三項:依 S05,它等於「2.5∈N⁺」,但 2.5∉N(S07)。三項都不成立,依德摩根律析取為假,依 S04 的等價 −2.5∉Z。
S09 · implies
操作前
(-a)+a=0,\ (-a)+(-(-a))=0
操作後
-(-a)=a\quad(a\in\mathbb{R})條件:無
規則:L_inv_unique · 依賴:G3, L_inv_unique
葉節點依據:L_inv_unique + add_comm + add_inverse + forall_intro
對任意實數 a:依加法交換律 (−a)+a=a+(−a)=0,所以 a 是 −a 的一個加法反元素;依定義 −(−a) 也是 −a 的加法反元素。依引理 L_inv_unique(取 L_inv_unique 中的 a 為 −a),−(−a)=a。a 是任意的,所以對所有實數成立。引理在 S09.1、S09.2 證明。
S10 · implies
操作前
-(-4)
操作後
4\in N^{+}\subseteq\mathbb{Z}條件:無
規則:forall_elim · 依賴:S09, S01
葉節點依據:forall_elim + numeric_evaluation + set_operations_def
在 S09 中取 a=4:−(−4)=4。驗算 (−4)+4=0(N8)。4 由 0 經四次後繼得到且 4≠0,所以 4∈N⁺⊆Z;−4 本身也是整數(第三部分,n=4)。
S11 · implies
操作前
z\in\mathbb{Z}操作後
-z\in\mathbb{Z}條件:無
規則:case_analysis · 依賴:S01, S09
葉節點依據:case_analysis + L_inv_unique + forall_intro + exists_intro
依 S01 分三種情況。(i) z=0:0+0=0,所以 0 是 0 的反元素,依唯一性 −0=0∈Z。(ii) z∈N⁺:取 n=z,−z 屬於第三部分。(iii) z=−n(n∈N⁺):依 S09,−z=−(−n)=n∈N⁺⊆Z。三種情況涵蓋 Z 的全部元素,所以對每個整數 z,−z∈Z。這是對任意 z 的證明,不是由幾個例子歸納。
S12 · implies
操作前
5-8=5+(-8)
操作後
5+(-8)=-3
條件:無
規則:L_inv_unique · 依賴:G3, L_inv_unique
葉節點依據:L_inv_unique + add_comm + add_assoc + add_inverse + numeric_evaluation
依 G3,二元減法 5−8 定義為 5+(−8)。計算 3+(5+(−8))=(3+5)+(−8)=8+(−8)=0(結合律與反元素),又 3+(−3)=0;依引理 L_inv_unique(a=3),5+(−8)=−3。這裡出現兩種「−」:5−8 中的是二元運算(減法),−3 中的是一元記號(3 的反元素);運算的結果是 −3 這個數,而 −3∈Z(3∈N⁺)。
S13 · implies
操作前
\text{S02, S03, S08, S10, S11, S12}操作後
-7,\ 3,\ 4,\ -3\in\mathbb{Z};\ -2.5\notin\mathbb{Z};\ \forall z\in\mathbb{Z}:\ -z\in\mathbb{Z}條件:無
規則:and_intro_elim · 依賴:S02, S03, S08, S10, S11, S12
葉節點依據:and_intro_elim
−7、3(寫成 3.0)、−(−4)=4、5−8=−3 都是整數;−2.5 不是;而且 Z 對負號封閉。
局部子步與引理
S06.1 · implies
操作前
0\in T_3;\ x\in\{0,1,2\}操作後
x+1\in\{1,2,3\}\subseteq T_3條件:無
規則:case_analysis · 依賴:G1, nat_least_inductive
葉節點依據:case_analysis + numeric_evaluation + order_basics
0∈T₃。x=0、1、2 時,x+1 分別是 1、2、3;1、2 在 {0,1,2} 中,3≥3,所以都在 T₃ 中。
S06.2 · implies
操作前
x\ge 3
操作後
x+1\ge 4\ge 3;\ T_3\ \text{inductive},\ N\subseteq T_3條件:無
規則:nat_least_inductive · 依賴:S06.1, nat_least_inductive
葉節點依據:nat_least_inductive + case_analysis + order_basics
x≥3 時 x+1≥4≥3,所以 x+1∈T₃。T₃ 的元素不是在 {0,1,2} 中就是 ≥3,兩種情況(S06.1 與此處)涵蓋全部,所以 T₃ 對 x↦x+1 封閉;加上 0∈T₃,T₃ 是歸納集。依 G1 的最小性,N⊆T₃。S06.1 與 S06.2 合起來證得引理 L_N_T3。
S09.1 · implies
操作前
a+x=0,\ a+y=0
操作後
x=x+0=x+(a+y)=(x+a)+y
條件:無
規則:add_assoc · 依賴:add_zero, add_assoc
葉節點依據:add_zero + eq_replace + add_assoc
x=x+0(加法單位元)=x+(a+y)(以假設 0=a+y 代換)=(x+a)+y(結合律)。
S09.2 · implies
操作前
(x+a)+y
操作後
y,\ \text{hence}\ x=y條件:無
規則:add_comm · 依賴:S09.1, add_comm
葉節點依據:add_comm + eq_replace + add_zero + eq_refl_symm_trans
(x+a)+y=(a+x)+y(交換律)=0+y(以假設 a+x=0 代換)=y。與 S09.1 串接得 x=y。S09.1 與 S09.2 合起來證得引理 L_inv_unique。