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Theorem uzwo4 38692
Description: Well-ordering principle: any nonempty subset of an upper set of integers has the least element. (Contributed by Glauco Siliprandi, 17-Aug-2020.)
Hypotheses
Ref Expression
uzwo4.1 𝑗𝜓
uzwo4.2 (𝑗 = 𝑘 → (𝜑𝜓))
Assertion
Ref Expression
uzwo4 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ ∃𝑗𝑆 𝜑) → ∃𝑗𝑆 (𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓)))
Distinct variable groups:   𝑘,𝑀   𝑆,𝑗,𝑘   𝜑,𝑘
Allowed substitution hints:   𝜑(𝑗)   𝜓(𝑗,𝑘)   𝑀(𝑗)

Proof of Theorem uzwo4
Dummy variable 𝑖 is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 ssrab2 3671 . . . . . 6 {𝑗𝑆𝜑} ⊆ 𝑆
21a1i 11 . . . . 5 (𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) → {𝑗𝑆𝜑} ⊆ 𝑆)
3 id 22 . . . . 5 (𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) → 𝑆 ⊆ (ℤ𝑀))
42, 3sstrd 3598 . . . 4 (𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) → {𝑗𝑆𝜑} ⊆ (ℤ𝑀))
54adantr 481 . . 3 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ ∃𝑗𝑆 𝜑) → {𝑗𝑆𝜑} ⊆ (ℤ𝑀))
6 rabn0 3937 . . . . . 6 ({𝑗𝑆𝜑} ≠ ∅ ↔ ∃𝑗𝑆 𝜑)
76bicomi 214 . . . . 5 (∃𝑗𝑆 𝜑 ↔ {𝑗𝑆𝜑} ≠ ∅)
87biimpi 206 . . . 4 (∃𝑗𝑆 𝜑 → {𝑗𝑆𝜑} ≠ ∅)
98adantl 482 . . 3 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ ∃𝑗𝑆 𝜑) → {𝑗𝑆𝜑} ≠ ∅)
10 uzwo 11695 . . 3 (({𝑗𝑆𝜑} ⊆ (ℤ𝑀) ∧ {𝑗𝑆𝜑} ≠ ∅) → ∃𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑}∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘)
115, 9, 10syl2anc 692 . 2 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ ∃𝑗𝑆 𝜑) → ∃𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑}∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘)
121sseli 3584 . . . . . . . 8 (𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} → 𝑖𝑆)
1312adantr 481 . . . . . . 7 ((𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → 𝑖𝑆)
14133adant1 1077 . . . . . 6 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → 𝑖𝑆)
15 nfcv 2767 . . . . . . . . . . . 12 𝑗𝑖
16 nfcv 2767 . . . . . . . . . . . 12 𝑗𝑆
1715nfsbc1 3441 . . . . . . . . . . . 12 𝑗[𝑖 / 𝑗]𝜑
18 sbceq1a 3433 . . . . . . . . . . . 12 (𝑗 = 𝑖 → (𝜑[𝑖 / 𝑗]𝜑))
1915, 16, 17, 18elrabf 3348 . . . . . . . . . . 11 (𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ↔ (𝑖𝑆[𝑖 / 𝑗]𝜑))
2019biimpi 206 . . . . . . . . . 10 (𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} → (𝑖𝑆[𝑖 / 𝑗]𝜑))
2120simprd 479 . . . . . . . . 9 (𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} → [𝑖 / 𝑗]𝜑)
2221adantr 481 . . . . . . . 8 ((𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → [𝑖 / 𝑗]𝜑)
23223adant1 1077 . . . . . . 7 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → [𝑖 / 𝑗]𝜑)
24 nfv 1845 . . . . . . . . 9 𝑘 𝑆 ⊆ (ℤ𝑀)
25 nfv 1845 . . . . . . . . 9 𝑘 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑}
26 nfra1 2941 . . . . . . . . 9 𝑘𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘
2724, 25, 26nf3an 1833 . . . . . . . 8 𝑘(𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘)
28 simpl13 1136 . . . . . . . . . . 11 ((((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) ∧ 𝜓) → ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘)
29 simpl2 1063 . . . . . . . . . . 11 ((((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) ∧ 𝜓) → 𝑘𝑆)
30 simpr 477 . . . . . . . . . . 11 ((((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) ∧ 𝜓) → 𝜓)
31 simpll 789 . . . . . . . . . . . 12 (((∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘𝑘𝑆) ∧ 𝜓) → ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘)
32 id 22 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑘𝑆𝜓) → (𝑘𝑆𝜓))
33 nfcv 2767 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑗𝑘
34 uzwo4.1 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑗𝜓
35 uzwo4.2 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 = 𝑘 → (𝜑𝜓))
3633, 16, 34, 35elrabf 3348 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ↔ (𝑘𝑆𝜓))
3732, 36sylibr 224 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑘𝑆𝜓) → 𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑})
3837adantll 749 . . . . . . . . . . . 12 (((∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘𝑘𝑆) ∧ 𝜓) → 𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑})
39 rspa 2930 . . . . . . . . . . . 12 ((∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}) → 𝑖𝑘)
4031, 38, 39syl2anc 692 . . . . . . . . . . 11 (((∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘𝑘𝑆) ∧ 𝜓) → 𝑖𝑘)
4128, 29, 30, 40syl21anc 1322 . . . . . . . . . 10 ((((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) ∧ 𝜓) → 𝑖𝑘)
424sselda 3588 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑}) → 𝑖 ∈ (ℤ𝑀))
43 eluzelz 11641 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑖 ∈ (ℤ𝑀) → 𝑖 ∈ ℤ)
4442, 43syl 17 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑}) → 𝑖 ∈ ℤ)
4544zred 11426 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑}) → 𝑖 ∈ ℝ)
46453adant3 1079 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → 𝑖 ∈ ℝ)
47463ad2ant1 1080 . . . . . . . . . . . 12 (((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) → 𝑖 ∈ ℝ)
48 ssel2 3583 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑘𝑆) → 𝑘 ∈ (ℤ𝑀))
49 eluzelz 11641 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑘 ∈ (ℤ𝑀) → 𝑘 ∈ ℤ)
5048, 49syl 17 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑘𝑆) → 𝑘 ∈ ℤ)
5150zred 11426 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑘𝑆) → 𝑘 ∈ ℝ)
52513ad2antl1 1221 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆) → 𝑘 ∈ ℝ)
53523adant3 1079 . . . . . . . . . . . 12 (((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) → 𝑘 ∈ ℝ)
54 simp3 1061 . . . . . . . . . . . 12 (((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) → 𝑘 < 𝑖)
55 simp3 1061 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑖 ∈ ℝ ∧ 𝑘 ∈ ℝ ∧ 𝑘 < 𝑖) → 𝑘 < 𝑖)
56 simp2 1060 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑖 ∈ ℝ ∧ 𝑘 ∈ ℝ ∧ 𝑘 < 𝑖) → 𝑘 ∈ ℝ)
57 simp1 1059 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑖 ∈ ℝ ∧ 𝑘 ∈ ℝ ∧ 𝑘 < 𝑖) → 𝑖 ∈ ℝ)
5856, 57ltnled 10129 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑖 ∈ ℝ ∧ 𝑘 ∈ ℝ ∧ 𝑘 < 𝑖) → (𝑘 < 𝑖 ↔ ¬ 𝑖𝑘))
5955, 58mpbid 222 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑖 ∈ ℝ ∧ 𝑘 ∈ ℝ ∧ 𝑘 < 𝑖) → ¬ 𝑖𝑘)
6047, 53, 54, 59syl3anc 1323 . . . . . . . . . . 11 (((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) → ¬ 𝑖𝑘)
6160adantr 481 . . . . . . . . . 10 ((((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) ∧ 𝜓) → ¬ 𝑖𝑘)
6241, 61pm2.65da 599 . . . . . . . . 9 (((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) ∧ 𝑘𝑆𝑘 < 𝑖) → ¬ 𝜓)
63623exp 1261 . . . . . . . 8 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → (𝑘𝑆 → (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓)))
6427, 63ralrimi 2956 . . . . . . 7 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓))
6523, 64jca 554 . . . . . 6 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → ([𝑖 / 𝑗]𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓)))
66 nfv 1845 . . . . . . . . . 10 𝑗 𝑘 < 𝑖
6734nfn 1782 . . . . . . . . . 10 𝑗 ¬ 𝜓
6866, 67nfim 1827 . . . . . . . . 9 𝑗(𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓)
6916, 68nfral 2945 . . . . . . . 8 𝑗𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓)
7017, 69nfan 1830 . . . . . . 7 𝑗([𝑖 / 𝑗]𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓))
71 breq2 4622 . . . . . . . . . 10 (𝑗 = 𝑖 → (𝑘 < 𝑗𝑘 < 𝑖))
7271imbi1d 331 . . . . . . . . 9 (𝑗 = 𝑖 → ((𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓) ↔ (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓)))
7372ralbidv 2985 . . . . . . . 8 (𝑗 = 𝑖 → (∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓) ↔ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓)))
7418, 73anbi12d 746 . . . . . . 7 (𝑗 = 𝑖 → ((𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓)) ↔ ([𝑖 / 𝑗]𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓))))
7570, 74rspce 3295 . . . . . 6 ((𝑖𝑆 ∧ ([𝑖 / 𝑗]𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑖 → ¬ 𝜓))) → ∃𝑗𝑆 (𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓)))
7614, 65, 75syl2anc 692 . . . . 5 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ 𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} ∧ ∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘) → ∃𝑗𝑆 (𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓)))
77763exp 1261 . . . 4 (𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) → (𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑} → (∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘 → ∃𝑗𝑆 (𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓)))))
7877rexlimdv 3028 . . 3 (𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) → (∃𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑}∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘 → ∃𝑗𝑆 (𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓))))
7978adantr 481 . 2 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ ∃𝑗𝑆 𝜑) → (∃𝑖 ∈ {𝑗𝑆𝜑}∀𝑘 ∈ {𝑗𝑆𝜑}𝑖𝑘 → ∃𝑗𝑆 (𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓))))
8011, 79mpd 15 1 ((𝑆 ⊆ (ℤ𝑀) ∧ ∃𝑗𝑆 𝜑) → ∃𝑗𝑆 (𝜑 ∧ ∀𝑘𝑆 (𝑘 < 𝑗 → ¬ 𝜓)))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  ¬ wn 3  wi 4  wb 196  wa 384  w3a 1036   = wceq 1480  wnf 1705  wcel 1992  wne 2796  wral 2912  wrex 2913  {crab 2916  [wsbc 3422  wss 3560  c0 3896   class class class wbr 4618  cfv 5850  cr 9880   < clt 10019  cle 10020  cz 11322  cuz 11631
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1719  ax-4 1734  ax-5 1841  ax-6 1890  ax-7 1937  ax-8 1994  ax-9 2001  ax-10 2021  ax-11 2036  ax-12 2049  ax-13 2250  ax-ext 2606  ax-sep 4746  ax-nul 4754  ax-pow 4808  ax-pr 4872  ax-un 6903  ax-cnex 9937  ax-resscn 9938  ax-1cn 9939  ax-icn 9940  ax-addcl 9941  ax-addrcl 9942  ax-mulcl 9943  ax-mulrcl 9944  ax-mulcom 9945  ax-addass 9946  ax-mulass 9947  ax-distr 9948  ax-i2m1 9949  ax-1ne0 9950  ax-1rid 9951  ax-rnegex 9952  ax-rrecex 9953  ax-cnre 9954  ax-pre-lttri 9955  ax-pre-lttrn 9956  ax-pre-ltadd 9957  ax-pre-mulgt0 9958
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3or 1037  df-3an 1038  df-tru 1483  df-ex 1702  df-nf 1707  df-sb 1883  df-eu 2478  df-mo 2479  df-clab 2613  df-cleq 2619  df-clel 2622  df-nfc 2756  df-ne 2797  df-nel 2900  df-ral 2917  df-rex 2918  df-reu 2919  df-rab 2921  df-v 3193  df-sbc 3423  df-csb 3520  df-dif 3563  df-un 3565  df-in 3567  df-ss 3574  df-pss 3576  df-nul 3897  df-if 4064  df-pw 4137  df-sn 4154  df-pr 4156  df-tp 4158  df-op 4160  df-uni 4408  df-iun 4492  df-br 4619  df-opab 4679  df-mpt 4680  df-tr 4718  df-eprel 4990  df-id 4994  df-po 5000  df-so 5001  df-fr 5038  df-we 5040  df-xp 5085  df-rel 5086  df-cnv 5087  df-co 5088  df-dm 5089  df-rn 5090  df-res 5091  df-ima 5092  df-pred 5642  df-ord 5688  df-on 5689  df-lim 5690  df-suc 5691  df-iota 5813  df-fun 5852  df-fn 5853  df-f 5854  df-f1 5855  df-fo 5856  df-f1o 5857  df-fv 5858  df-riota 6566  df-ov 6608  df-oprab 6609  df-mpt2 6610  df-om 7014  df-wrecs 7353  df-recs 7414  df-rdg 7452  df-er 7688  df-en 7901  df-dom 7902  df-sdom 7903  df-pnf 10021  df-mnf 10022  df-xr 10023  df-ltxr 10024  df-le 10025  df-sub 10213  df-neg 10214  df-nn 10966  df-n0 11238  df-z 11323  df-uz 11632
This theorem is referenced by:  iundjiun  39971
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