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Theorem vdwnn 13041
Description: Van der Waerden's theorem, infinitary version. For any finite coloring  F of the natural numbers, there is a color  c that contains arbitrarily long arithmetic progressions. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Sep-2014.)
Assertion
Ref Expression
vdwnn  |-  ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  ->  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )
Distinct variable groups:    a, c, d, k, m, F    R, c
Dummy variables  u  w  x  y  z are mutually distinct and distinct from all other variables.
Allowed substitution groups:    R( k, m, a, d)

Proof of Theorem vdwnn
StepHypRef Expression
1 simpll 732 . . 3  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  R  e.  Fin )
2 simplr 733 . . 3  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  F : NN --> R )
3 oveq1 5828 . . . . . . . . . . 11  |-  ( m  =  w  ->  (
m  x.  d )  =  ( w  x.  d ) )
43oveq2d 5837 . . . . . . . . . 10  |-  ( m  =  w  ->  (
a  +  ( m  x.  d ) )  =  ( a  +  ( w  x.  d
) ) )
54eleq1d 2352 . . . . . . . . 9  |-  ( m  =  w  ->  (
( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  ( a  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
65cbvralv 2767 . . . . . . . 8  |-  ( A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) )
7 oveq1 5828 . . . . . . . . . 10  |-  ( a  =  y  ->  (
a  +  ( w  x.  d ) )  =  ( y  +  ( w  x.  d
) ) )
87eleq1d 2352 . . . . . . . . 9  |-  ( a  =  y  ->  (
( a  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  ( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
98ralbidv 2566 . . . . . . . 8  |-  ( a  =  y  ->  ( A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
106, 9syl5bb 250 . . . . . . 7  |-  ( a  =  y  ->  ( A. m  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
11 oveq2 5829 . . . . . . . . . 10  |-  ( d  =  z  ->  (
w  x.  d )  =  ( w  x.  z ) )
1211oveq2d 5837 . . . . . . . . 9  |-  ( d  =  z  ->  (
y  +  ( w  x.  d ) )  =  ( y  +  ( w  x.  z
) ) )
1312eleq1d 2352 . . . . . . . 8  |-  ( d  =  z  ->  (
( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
1413ralbidv 2566 . . . . . . 7  |-  ( d  =  z  ->  ( A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
1510, 14cbvrex2v 2776 . . . . . 6  |-  ( E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
16 oveq1 5828 . . . . . . . . 9  |-  ( k  =  x  ->  (
k  -  1 )  =  ( x  - 
1 ) )
1716oveq2d 5837 . . . . . . . 8  |-  ( k  =  x  ->  (
0 ... ( k  - 
1 ) )  =  ( 0 ... (
x  -  1 ) ) )
1817raleqdv 2745 . . . . . . 7  |-  ( k  =  x  ->  ( A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( x  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
19182rexbidv 2589 . . . . . 6  |-  ( k  =  x  ->  ( E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... ( x  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2015, 19syl5bb 250 . . . . 5  |-  ( k  =  x  ->  ( E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... ( x  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2120notbid 287 . . . 4  |-  ( k  =  x  ->  ( -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  -.  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... ( x  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2221cbvrabv 2790 . . 3  |-  { k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =  { x  e.  NN  |  -.  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... (
x  -  1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z
) )  e.  ( `' F " { u } ) }
23 simpr 449 . . . . 5  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )
24 sneq 3654 . . . . . . . . . . 11  |-  ( c  =  u  ->  { c }  =  { u } )
2524imaeq2d 5013 . . . . . . . . . 10  |-  ( c  =  u  ->  ( `' F " { c } )  =  ( `' F " { u } ) )
2625eleq2d 2353 . . . . . . . . 9  |-  ( c  =  u  ->  (
( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2726ralbidv 2566 . . . . . . . 8  |-  ( c  =  u  ->  ( A. m  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  A. m  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
28272rexbidv 2589 . . . . . . 7  |-  ( c  =  u  ->  ( E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2928ralbidv 2566 . . . . . 6  |-  ( c  =  u  ->  ( A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
3029cbvrexv 2768 . . . . 5  |-  ( E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  E. u  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3123, 30sylnib 297 . . . 4  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  -.  E. u  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
32 rabn0 3477 . . . . . . 7  |-  ( { k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/)  <->  E. k  e.  NN  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
33 rexnal 2557 . . . . . . 7  |-  ( E. k  e.  NN  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  -.  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3432, 33bitri 242 . . . . . 6  |-  ( { k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/)  <->  -.  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3534ralbii 2570 . . . . 5  |-  ( A. u  e.  R  {
k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/)  <->  A. u  e.  R  -.  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
36 ralnex 2556 . . . . 5  |-  ( A. u  e.  R  -.  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  -.  E. u  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3735, 36bitri 242 . . . 4  |-  ( A. u  e.  R  {
k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/)  <->  -.  E. u  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3831, 37sylibr 205 . . 3  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  A. u  e.  R  { k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/) )
391, 2, 22, 38vdwnnlem3 13040 . 2  |-  -.  (
( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )
40 iman 415 . 2  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  ->  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  <->  -.  (
( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) ) )
4139, 40mpbir 202 1  |-  ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  ->  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:   -. wn 5    -> wi 6    /\ wa 360    = wceq 1625    e. wcel 1687    =/= wne 2449   A.wral 2546   E.wrex 2547   {crab 2550   (/)c0 3458   {csn 3643   `'ccnv 4689   "cima 4693   -->wf 5219  (class class class)co 5821   Fincfn 6860   0cc0 8734   1c1 8735    + caddc 8737    x. cmul 8739    - cmin 9034   NNcn 9743   ...cfz 10778
This theorem was proved from axioms:  ax-1 7  ax-2 8  ax-3 9  ax-mp 10  ax-gen 1535  ax-5 1546  ax-17 1605  ax-9 1638  ax-8 1646  ax-13 1689  ax-14 1691  ax-6 1706  ax-7 1711  ax-11 1718  ax-12 1870  ax-ext 2267  ax-rep 4134  ax-sep 4144  ax-nul 4152  ax-pow 4189  ax-pr 4215  ax-un 4513  ax-cnex 8790  ax-resscn 8791  ax-1cn 8792  ax-icn 8793  ax-addcl 8794  ax-addrcl 8795  ax-mulcl 8796  ax-mulrcl 8797  ax-mulcom 8798  ax-addass 8799  ax-mulass 8800  ax-distr 8801  ax-i2m1 8802  ax-1ne0 8803  ax-1rid 8804  ax-rnegex 8805  ax-rrecex 8806  ax-cnre 8807  ax-pre-lttri 8808  ax-pre-lttrn 8809  ax-pre-ltadd 8810  ax-pre-mulgt0 8811  ax-pre-sup 8812
This theorem depends on definitions:  df-bi 179  df-or 361  df-an 362  df-3or 937  df-3an 938  df-tru 1312  df-ex 1531  df-nf 1534  df-sb 1633  df-eu 2150  df-mo 2151  df-clab 2273  df-cleq 2279  df-clel 2282  df-nfc 2411  df-ne 2451  df-nel 2452  df-ral 2551  df-rex 2552  df-reu 2553  df-rmo 2554  df-rab 2555  df-v 2793  df-sbc 2995  df-csb 3085  df-dif 3158  df-un 3160  df-in 3162  df-ss 3169  df-pss 3171  df-nul 3459  df-if 3569  df-pw 3630  df-sn 3649  df-pr 3650  df-tp 3651  df-op 3652  df-uni 3831  df-int 3866  df-iun 3910  df-br 4027  df-opab 4081  df-mpt 4082  df-tr 4117  df-eprel 4306  df-id 4310  df-po 4315  df-so 4316  df-fr 4353  df-we 4355  df-ord 4396  df-on 4397  df-lim 4398  df-suc 4399  df-om 4658  df-xp 4696  df-rel 4697  df-cnv 4698  df-co 4699  df-dm 4700  df-rn 4701  df-res 4702  df-ima 4703  df-fun 5225  df-fn 5226  df-f 5227  df-f1 5228  df-fo 5229  df-f1o 5230  df-fv 5231  df-ov 5824  df-oprab 5825  df-mpt2 5826  df-1st 6085  df-2nd 6086  df-iota 6254  df-riota 6301  df-recs 6385  df-rdg 6420  df-1o 6476  df-2o 6477  df-oadd 6480  df-er 6657  df-map 6771  df-pm 6772  df-en 6861  df-dom 6862  df-sdom 6863  df-fin 6864  df-sup 7191  df-card 7569  df-cda 7791  df-pnf 8866  df-mnf 8867  df-xr 8868  df-ltxr 8869  df-le 8870  df-sub 9036  df-neg 9037  df-nn 9744  df-2 9801  df-n0 9963  df-z 10022  df-uz 10228  df-rp 10352  df-fz 10779  df-fl 10921  df-hash 11334  df-vdwap 13011  df-vdwmc 13012  df-vdwpc 13013
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