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module Cubical.Data.Nat.GCD where
open import Cubical.Foundations.Prelude
open import Cubical.Foundations.Function
open import Cubical.Foundations.HLevels
open import Cubical.Foundations.Equiv
open import Cubical.Foundations.Isomorphism
open import Cubical.Induction.WellFounded
open import Cubical.Data.Sigma as Σ
open import Cubical.Data.Fin
open import Cubical.Data.NatPlusOne
open import Cubical.HITs.PropositionalTruncation as PropTrunc
open import Cubical.Data.Nat.Base
open import Cubical.Data.Nat.Properties
open import Cubical.Data.Nat.Order
open import Cubical.Data.Nat.Divisibility
open import Cubical.Relation.Nullary
private
variable
m n d : ℕ
isCD : ℕ → ℕ → ℕ → Type₀
isCD m n d = (d ∣ m) × (d ∣ n)
isPropIsCD : isProp (isCD m n d)
isPropIsCD = isProp× isProp∣ isProp∣
symCD : isCD m n d → isCD n m d
symCD (d∣m , d∣n) = (d∣n , d∣m)
isGCD : ℕ → ℕ → ℕ → Type₀
isGCD m n d = (isCD m n d) × (∀ d' → isCD m n d' → d' ∣ d)
GCD : ℕ → ℕ → Type₀
GCD m n = Σ ℕ (isGCD m n)
isPropIsGCD : isProp (isGCD m n d)
isPropIsGCD = isProp× isPropIsCD (isPropΠ2 (λ _ _ → isProp∣))
isPropGCD : isProp (GCD m n)
isPropGCD (d , dCD , gr) (d' , d'CD , gr') =
Σ≡Prop (λ _ → isPropIsGCD) (antisym∣ (gr' d dCD) (gr d' d'CD))
symGCD : isGCD m n d → isGCD n m d
symGCD (dCD , gr) = symCD dCD , λ { d' d'CD → gr d' (symCD d'CD) }
divsGCD : m ∣ n → isGCD m n m
divsGCD p = (∣-refl refl , p) , λ { d (d∣m , _) → d∣m }
oneGCD : ∀ m → isGCD m 1 1
oneGCD m = symGCD (divsGCD (∣-oneˡ m))
zeroGCD : ∀ m → isGCD m 0 m
zeroGCD m = divsGCD (∣-zeroʳ m)
private
lem₁ : prediv d (suc n) → prediv d (m % suc n) → prediv d m
lem₁ {d} {n} {m} (c₁ , p₁) (c₂ , p₂) = (q · c₁ + c₂) , p
where r = m % suc n; q = n%k≡n[modk] m (suc n) .fst
p = (q · c₁ + c₂) · d ≡⟨ sym (·-distribʳ (q · c₁) c₂ d) ⟩
(q · c₁) · d + c₂ · d ≡⟨ cong (_+ c₂ · d) (sym (·-assoc q c₁ d)) ⟩
q · (c₁ · d) + c₂ · d ≡[ i ]⟨ q · (p₁ i) + (p₂ i) ⟩
q · (suc n) + r ≡⟨ n%k≡n[modk] m (suc n) .snd ⟩
m ∎
lem₂ : prediv d (suc n) → prediv d m → prediv d (m % suc n)
lem₂ {d} {n} {m} (c₁ , p₁) (c₂ , p₂) = c₂ ∸ q · c₁ , p
where r = m % suc n; q = n%k≡n[modk] m (suc n) .fst
p = (c₂ ∸ q · c₁) · d ≡⟨ ∸-distribʳ c₂ (q · c₁) d ⟩
c₂ · d ∸ (q · c₁) · d ≡⟨ cong (c₂ · d ∸_) (sym (·-assoc q c₁ d)) ⟩
c₂ · d ∸ q · (c₁ · d) ≡[ i ]⟨ p₂ i ∸ q · (p₁ i) ⟩
m ∸ q · (suc n) ≡⟨ cong (_∸ q · (suc n)) (sym (n%k≡n[modk] m (suc n) .snd)) ⟩
(q · (suc n) + r) ∸ q · (suc n) ≡⟨ cong (_∸ q · (suc n)) (+-comm (q · (suc n)) r) ⟩
(r + q · (suc n)) ∸ q · (suc n) ≡⟨ ∸-cancelʳ r zero (q · (suc n)) ⟩
r ∎
stepGCD : isGCD (suc n) (m % suc n) d
→ isGCD m (suc n) d
fst (stepGCD ((d∣n , d∣m%n) , gr)) = PropTrunc.map2 lem₁ d∣n d∣m%n , d∣n
snd (stepGCD ((d∣n , d∣m%n) , gr)) d' (d'∣m , d'∣n) = gr d' (d'∣n , PropTrunc.map2 lem₂ d'∣n d'∣m)
euclid< : ∀ m n → n < m → GCD m n
euclid< = WFI.induction <-wellfounded λ {
m rec zero p → m , zeroGCD m ;
m rec (suc n) p → let d , dGCD = rec (suc n) p (m % suc n) (n%sk<sk m n)
in d , stepGCD dGCD }
euclid : ∀ m n → GCD m n
euclid m n with n ≟ m
... | lt p = euclid< m n p
... | gt p = Σ.map-snd symGCD (euclid< n m p)
... | eq p = m , divsGCD (∣-refl (sym p))
isContrGCD : ∀ m n → isContr (GCD m n)
isContrGCD m n = euclid m n , isPropGCD _
gcd : ℕ → ℕ → ℕ
gcd m n = euclid m n .fst
gcdIsGCD : ∀ m n → isGCD m n (gcd m n)
gcdIsGCD m n = euclid m n .snd
isGCD→gcd≡ : isGCD m n d → gcd m n ≡ d
isGCD→gcd≡ dGCD = cong fst (isContrGCD _ _ .snd (_ , dGCD))
gcd≡→isGCD : gcd m n ≡ d → isGCD m n d
gcd≡→isGCD p = subst (isGCD _ _) p (gcdIsGCD _ _)
isCD-cancelʳ : ∀ k → isCD (m · suc k) (n · suc k) (d · suc k)
→ isCD m n d
isCD-cancelʳ k (dk∣mk , dk∣nk) = (∣-cancelʳ k dk∣mk , ∣-cancelʳ k dk∣nk)
isCD-multʳ : ∀ k → isCD m n d
→ isCD (m · k) (n · k) (d · k)
isCD-multʳ k (d∣m , d∣n) = (∣-multʳ k d∣m , ∣-multʳ k d∣n)
isGCD-cancelʳ : ∀ k → isGCD (m · suc k) (n · suc k) (d · suc k)
→ isGCD m n d
isGCD-cancelʳ {m} {n} {d} k (dCD , gr) =
isCD-cancelʳ k dCD , λ d' d'CD → ∣-cancelʳ k (gr (d' · suc k) (isCD-multʳ (suc k) d'CD))
gcd-factorʳ : ∀ m n k → gcd (m · k) (n · k) ≡ gcd m n · k
gcd-factorʳ m n zero = (λ i → gcd (0≡m·0 m (~ i)) (0≡m·0 n (~ i))) ∙ 0≡m·0 (gcd m n)
gcd-factorʳ m n (suc k) = sym p ∙ cong (_· suc k) (sym q)
where k∣gcd : suc k ∣ gcd (m · suc k) (n · suc k)
k∣gcd = gcdIsGCD (m · suc k) (n · suc k) .snd (suc k) (∣-right m , ∣-right n)
d' = ∣-untrunc k∣gcd .fst
p : d' · suc k ≡ gcd (m · suc k) (n · suc k)
p = ∣-untrunc k∣gcd .snd
d'GCD : isGCD m n d'
d'GCD = isGCD-cancelʳ _ (subst (isGCD _ _) (sym p) (gcdIsGCD (m · suc k) (n · suc k)))
q : gcd m n ≡ d'
q = isGCD→gcd≡ d'GCD
isGCD-multʳ : ∀ k → isGCD m n d
→ isGCD (m · k) (n · k) (d · k)
isGCD-multʳ {m} {n} {d} k dGCD = gcd≡→isGCD (gcd-factorʳ m n k ∙ cong (_· k) r)
where r : gcd m n ≡ d
r = isGCD→gcd≡ dGCD
stDivIneqGCD : ¬ m ≡ 0 → ¬ m ∣ n → (g : GCD m n) → g .fst < m
stDivIneqGCD p q g = stDivIneq p q (g .snd .fst .fst) (g .snd .fst .snd)