mathlib documentation

data.real.hyperreal

Construction of the hyperreal numbers as an ultraproduct of real sequences. #

def hyperreal  :
Type

Hyperreal numbers on the ultrafilter extending the cofinite filter

Equations
Instances for hyperreal
@[protected, instance]
noncomputable def hyperreal.inhabited  :
@[protected, instance]
@[protected, instance]
noncomputable def hyperreal.has_coe_t  :
Equations
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_eq_coe {x y : ℝ} :
↑x = ↑y ↔ x = y
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_eq_zero {x : ℝ} :
↑x = 0 ↔ x = 0
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_eq_one {x : ℝ} :
↑x = 1 ↔ x = 1
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_one  :
↑1 = 1
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_zero  :
↑0 = 0
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_inv (x : ℝ) :
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_neg (x : ℝ) :
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_add (x y : ℝ) :
↑(x + y) = ↑x + ↑y
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_bit0 (x : ℝ) :
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_bit1 (x : ℝ) :
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_mul (x y : ℝ) :
↑(x * y) = ↑x * ↑y
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_div (x y : ℝ) :
↑(x / y) = ↑x / ↑y
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_sub (x y : ℝ) :
↑(x - y) = ↑x - ↑y
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_lt_coe {x y : ℝ} :
↑x < ↑y ↔ x < y
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_pos {x : ℝ} :
0 < ↑x ↔ 0 < x
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_le_coe {x y : ℝ} :
↑x ≤ ↑y ↔ x ≤ y
@[simp, norm_cast]
theorem hyperreal.coe_abs (x : ℝ) :
@[simp, norm_cast]
@[simp, norm_cast]
noncomputable def hyperreal.of_seq (f : ℕ → ℝ) :

Construct a hyperreal number from a sequence of real numbers.

Equations
noncomputable def hyperreal.epsilon  :

A sample infinitesimal hyperreal

Equations
noncomputable def hyperreal.omega  :

A sample infinite hyperreal

Equations
def hyperreal.is_st (x : ℝ*) (r : ℝ) :
Prop

Standard part predicate

Equations
noncomputable def hyperreal.st  :
ℝ* → ℝ

Standard part function: like a "round" to ℝ instead of ℤ

Equations
def hyperreal.infinitesimal (x : ℝ*) :
Prop

A hyperreal number is infinitesimal if its standard part is 0

Equations
def hyperreal.infinite_pos (x : ℝ*) :
Prop

A hyperreal number is positive infinite if it is larger than all real numbers

Equations
def hyperreal.infinite_neg (x : ℝ*) :
Prop

A hyperreal number is negative infinite if it is smaller than all real numbers

Equations
def hyperreal.infinite (x : ℝ*) :
Prop

A hyperreal number is infinite if it is infinite positive or infinite negative

Equations

Some facts about st #

theorem hyperreal.is_st_unique {x : ℝ*} {r s : ℝ} (hr : x.is_st r) (hs : x.is_st s) :
r = s
theorem hyperreal.not_infinite_of_exists_st {x : ℝ*} :
(∃ (r : ℝ), x.is_st r) → ¬x.infinite
theorem hyperreal.is_st_Sup {x : ℝ*} (hni : ¬x.infinite) :
x.is_st (has_Sup.Sup {y : ℝ | ↑y < x})
theorem hyperreal.exists_st_of_not_infinite {x : ℝ*} (hni : ¬x.infinite) :
∃ (r : ℝ), x.is_st r
theorem hyperreal.st_eq_Sup {x : ℝ*} :
x.st = has_Sup.Sup {y : ℝ | ↑y < x}
theorem hyperreal.st_infinite {x : ℝ*} (hi : x.infinite) :
x.st = 0
theorem hyperreal.st_of_is_st {x : ℝ*} {r : ℝ} (hxr : x.is_st r) :
x.st = r
theorem hyperreal.is_st_st_of_is_st {x : ℝ*} {r : ℝ} (hxr : x.is_st r) :
x.is_st x.st
theorem hyperreal.is_st_st_of_exists_st {x : ℝ*} (hx : ∃ (r : ℝ), x.is_st r) :
x.is_st x.st
theorem hyperreal.is_st_st {x : ℝ*} (hx : x.st ≠ 0) :
x.is_st x.st
theorem hyperreal.is_st_st' {x : ℝ*} (hx : ¬x.infinite) :
x.is_st x.st
theorem hyperreal.st_id_real (r : ℝ) :
↑r.st = r
theorem hyperreal.eq_of_is_st_real {r s : ℝ} :
↑r.is_st s → r = s
theorem hyperreal.is_st_real_iff_eq {r s : ℝ} :
↑r.is_st s ↔ r = s
theorem hyperreal.is_st_trans_real {r s t : ℝ} :
↑r.is_st s → ↑s.is_st t → ↑r.is_st t
theorem hyperreal.is_st_inj_real {r₁ r₂ s : ℝ} (h1 : ↑r₁.is_st s) (h2 : ↑r₂.is_st s) :
r₁ = r₂
theorem hyperreal.is_st_iff_abs_sub_lt_delta {x : ℝ*} {r : ℝ} :
x.is_st r ↔ ∀ (δ : ℝ), 0 < δ → |x - ↑r| < ↑δ
theorem hyperreal.is_st_add {x y : ℝ*} {r s : ℝ} :
x.is_st r → y.is_st s → (x + y).is_st (r + s)
theorem hyperreal.is_st_neg {x : ℝ*} {r : ℝ} (hxr : x.is_st r) :
(-x).is_st (-r)
theorem hyperreal.is_st_sub {x y : ℝ*} {r s : ℝ} :
x.is_st r → y.is_st s → (x - y).is_st (r - s)
theorem hyperreal.lt_of_is_st_lt {x y : ℝ*} {r s : ℝ} (hxr : x.is_st r) (hys : y.is_st s) :
r < s → x < y
theorem hyperreal.is_st_le_of_le {x y : ℝ*} {r s : ℝ} (hrx : x.is_st r) (hsy : y.is_st s) :
x ≤ y → r ≤ s
theorem hyperreal.st_le_of_le {x y : ℝ*} (hix : ¬x.infinite) (hiy : ¬y.infinite) :
x ≤ y → x.st ≤ y.st
theorem hyperreal.lt_of_st_lt {x y : ℝ*} (hix : ¬x.infinite) (hiy : ¬y.infinite) :
x.st < y.st → x < y

Basic lemmas about infinite #

theorem hyperreal.infinite_pos_def {x : ℝ*} :
x.infinite_pos ↔ ∀ (r : ℝ), ↑r < x
theorem hyperreal.infinite_neg_def {x : ℝ*} :
x.infinite_neg ↔ ∀ (r : ℝ), x < ↑r
theorem hyperreal.not_infinite_add {x y : ℝ*} (hx : ¬x.infinite) (hy : ¬y.infinite) :
theorem hyperreal.not_infinite_iff_exist_lt_gt {x : ℝ*} :
¬x.infinite ↔ ∃ (r s : ℝ), ↑r < x ∧ x < ↑s
theorem hyperreal.not_real_of_infinite {x : ℝ*} :
x.infinite → ∀ (r : ℝ), x ≠ ↑r

Facts about st that require some infinite machinery #

theorem hyperreal.is_st_mul {x y : ℝ*} {r s : ℝ} (hxr : x.is_st r) (hys : y.is_st s) :
(x * y).is_st (r * s)
theorem hyperreal.not_infinite_mul {x y : ℝ*} (hx : ¬x.infinite) (hy : ¬y.infinite) :
theorem hyperreal.st_add {x y : ℝ*} (hx : ¬x.infinite) (hy : ¬y.infinite) :
(x + y).st = x.st + y.st
theorem hyperreal.st_neg (x : ℝ*) :
(-x).st = -x.st
theorem hyperreal.st_mul {x y : ℝ*} (hx : ¬x.infinite) (hy : ¬y.infinite) :
(x * y).st = x.st * y.st

Basic lemmas about infinitesimal #

theorem hyperreal.infinitesimal_def {x : ℝ*} :
x.infinitesimal ↔ ∀ (r : ℝ), 0 < r → -↑r < x ∧ x < ↑r
theorem hyperreal.lt_of_pos_of_infinitesimal {x : ℝ*} :
x.infinitesimal → ∀ (r : ℝ), 0 < r → x < ↑r
theorem hyperreal.lt_neg_of_pos_of_infinitesimal {x : ℝ*} :
x.infinitesimal → ∀ (r : ℝ), 0 < r → -↑r < x
theorem hyperreal.gt_of_neg_of_infinitesimal {x : ℝ*} :
x.infinitesimal → ∀ (r : ℝ), r < 0 → ↑r < x
theorem hyperreal.not_real_of_infinitesimal_ne_zero (x : ℝ*) :
x.infinitesimal → x ≠ 0 → ∀ (r : ℝ), x ≠ ↑r
theorem hyperreal.infinitesimal_sub_is_st {x : ℝ*} {r : ℝ} (hxr : x.is_st r) :

st stuff that requires infinitesimal machinery #

theorem hyperreal.is_st_inv {x : ℝ*} {r : ℝ} (hi : ¬x.infinitesimal) :
theorem hyperreal.st_inv (x : ℝ*) :

Infinite stuff that requires infinitesimal machinery #

theorem hyperreal.infinite_mul_infinite {x y : ℝ*} :
x.infinite → y.infinite → (x * y).infinite