Theorem ctinf 12414

Description: A set is countably infinite if and only if it has decidable equality, is countable, and is infinite. (Contributed by Jim Kingdon, 7-Aug-2023.)

Assertion

Ref	Expression
ctinf	|- ( A ~~ NN <-> ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) )

Distinct variable group:   A, f, y, x

Proof of Theorem ctinf

Dummy variables a b n k u g m are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		ctinfom 12412	. . . 4 |- ( A ~~ NN <-> ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) ) )
2	1	simplbi 274	. . 3 |- ( A ~~ NN -> A. x e. A A. y e. A DECID x = y )
3	1	simprbi 275	. . . 4 |- ( A ~~ NN -> E. f ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) )
4		simpl 109	. . . . . 6 |- ( ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) -> f : om -onto-> A )
5	4	a1i 9	. . . . 5 |- ( A ~~ NN -> ( ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) -> f : om -onto-> A ) )
6	5	eximdv 1880	. . . 4 |- ( A ~~ NN -> ( E. f ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) -> E. f f : om -onto-> A ) )
7	3, 6	mpd 13	. . 3 |- ( A ~~ NN -> E. f f : om -onto-> A )
8		nnenom 10420	. . . . . 6 |- NN ~~ om
9		entr 6778	. . . . . 6 |- ( ( A ~~ NN /\ NN ~~ om ) -> A ~~ om )
10	8, 9	mpan2 425	. . . . 5 |- ( A ~~ NN -> A ~~ om )
11	10	ensymd 6777	. . . 4 |- ( A ~~ NN -> om ~~ A )
12		endom 6757	. . . 4 |- ( om ~~ A -> om ~<_ A )
13	11, 12	syl 14	. . 3 |- ( A ~~ NN -> om ~<_ A )
14	2, 7, 13	3jca 1177	. 2 |- ( A ~~ NN -> ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) )
15		simp1 997	. . 3 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) -> A. x e. A A. y e. A DECID x = y )
16		3simpb 995	. . . 4 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) -> ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ om ~<_ A ) )
17		simp2 998	. . . 4 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) -> E. f f : om -onto-> A )
18		simp2 998	. . . . . . . 8 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) -> f : om -onto-> A )
19		simpl1 1000	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> A. x e. A A. y e. A DECID x = y )
20		equequ1 1712	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( x = u -> ( x = y <-> u = y ) )
21	20	dcbid 838	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( x = u -> (DECID x = y <-> DECID u = y ) )
22	21	ralbidv 2477	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( x = u -> ( A. y e. A DECID x = y <-> A. y e. A DECID u = y ) )
23	22	cbvralv 2703	. . . . . . . . . . . 12 |- ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y <-> A. u e. A A. y e. A DECID u = y )
24	19, 23	sylib 122	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> A. u e. A A. y e. A DECID u = y )
25		simpl3 1002	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> om ~<_ A )
26		fof 5434	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( f : om -onto-> A -> f : om --> A )
27		imassrn 4977	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( f " n ) C_ ran f
28		frn 5370	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( f : om --> A -> ran f C_ A )
29	27, 28	sstrid 3166	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( f : om --> A -> ( f " n ) C_ A )
30	26, 29	syl 14	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( f : om -onto-> A -> ( f " n ) C_ A )
31	30	ad2antrr 488	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> ( f " n ) C_ A )
32	31	3adantl1 1153	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> ( f " n ) C_ A )
33		simpl2 1001	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> f : om -onto-> A )
34		equequ1 1712	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( x = a -> ( x = y <-> a = y ) )
35	34	dcbid 838	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( x = a -> (DECID x = y <-> DECID a = y ) )
36		equequ2 1713	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( y = b -> ( a = y <-> a = b ) )
37	36	dcbid 838	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( y = b -> (DECID a = y <-> DECID a = b ) )
38	35, 37	cbvral2v 2716	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y <-> A. a e. A A. b e. A DECID a = b )
39		ssralv 3219	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 |- ( ( f " n ) C_ A -> ( A. b e. A DECID a = b -> A. b e. ( f " n )DECID a = b ) )
40	30, 39	syl 14	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( f : om -onto-> A -> ( A. b e. A DECID a = b -> A. b e. ( f " n )DECID a = b ) )
41	40	ralimdv 2545	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( f : om -onto-> A -> ( A. a e. A A. b e. A DECID a = b -> A. a e. A A. b e. ( f " n )DECID a = b ) )
42		ssralv 3219	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( ( f " n ) C_ A -> ( A. a e. A A. b e. ( f " n )DECID a = b -> A. a e. ( f " n ) A. b e. ( f " n )DECID a = b ) )
43	30, 41, 42	sylsyld 58	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( f : om -onto-> A -> ( A. a e. A A. b e. A DECID a = b -> A. a e. ( f " n ) A. b e. ( f " n )DECID a = b ) )
44	38, 43	biimtrid 152	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( f : om -onto-> A -> ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y -> A. a e. ( f " n ) A. b e. ( f " n )DECID a = b ) )
45	33, 19, 44	sylc 62	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> A. a e. ( f " n ) A. b e. ( f " n )DECID a = b )
46		simpr 110	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> n e. om )
47		fofun 5435	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 |- ( f : om -onto-> A -> Fun f )
48	47	ad2antrr 488	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> Fun f )
49		ordom 4603	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 |- Ord om
50		ordtr 4375	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 |- ( Ord om -> Tr om )
51	49, 50	ax-mp 5	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 |- Tr om
52		trss 4107	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 |- ( Tr om -> ( n e. om -> n C_ om ) )
53	51, 46, 52	mpsyl 65	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> n C_ om )
54	26	fdmd 5368	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 |- ( f : om -onto-> A -> dom f = om )
55	54	ad2antrr 488	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> dom f = om )
56	53, 55	sseqtrrd 3194	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> n C_ dom f )
57		fores 5443	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( ( Fun f /\ n C_ dom f ) -> ( f |` n ) : n -onto-> ( f " n ) )
58	48, 56, 57	syl2anc 411	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> ( f |` n ) : n -onto-> ( f " n ) )
59		vex 2740	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 |- f e. _V
60	59	resex 4944	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( f |` n ) e. _V
61		foeq1 5430	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( g = ( f |` n ) -> ( g : n -onto-> ( f " n ) <-> ( f |` n ) : n -onto-> ( f " n ) ) )
62	60, 61	spcev 2832	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( ( f |` n ) : n -onto-> ( f " n ) -> E. g g : n -onto-> ( f " n ) )
63	58, 62	syl 14	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> E. g g : n -onto-> ( f " n ) )
64		foeq2 5431	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( m = n -> ( g : m -onto-> ( f " n ) <-> g : n -onto-> ( f " n ) ) )
65	64	exbidv 1825	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( m = n -> ( E. g g : m -onto-> ( f " n ) <-> E. g g : n -onto-> ( f " n ) ) )
66	65	rspcev 2841	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( ( n e. om /\ E. g g : n -onto-> ( f " n ) ) -> E. m e. om E. g g : m -onto-> ( f " n ) )
67	46, 63, 66	syl2anc 411	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( ( f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> E. m e. om E. g g : m -onto-> ( f " n ) )
68	67	3adantl1 1153	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> E. m e. om E. g g : m -onto-> ( f " n ) )
69		fidcenum 6949	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( f " n ) e. Fin <-> ( A. a e. ( f " n ) A. b e. ( f " n )DECID a = b /\ E. m e. om E. g g : m -onto-> ( f " n ) ) )
70	45, 68, 69	sylanbrc 417	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> ( f " n ) e. Fin )
71	24, 25, 32, 70	inffinp1 12413	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> E. u e. A -. u e. ( f " n ) )
72		simprl 529	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) -> u e. A )
73		foelrn 5748	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( f : om -onto-> A /\ u e. A ) -> E. k e. om u = ( f ` k ) )
74	33, 72, 73	syl2an2r 595	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) -> E. k e. om u = ( f ` k ) )
75		simpr 110	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( ( ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) /\ k e. om ) /\ u = ( f ` k ) ) -> u = ( f ` k ) )
76		simprr 531	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) -> -. u e. ( f " n ) )
77	76	ad2antrr 488	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( ( ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) /\ k e. om ) /\ u = ( f ` k ) ) -> -. u e. ( f " n ) )
78	75, 77	eqneltrrd 2274	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) /\ k e. om ) /\ u = ( f ` k ) ) -> -. ( f ` k ) e. ( f " n ) )
79	78	ex 115	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) /\ k e. om ) -> ( u = ( f ` k ) -> -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) )
80	79	reximdva 2579	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) -> ( E. k e. om u = ( f ` k ) -> E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) )
81	74, 80	mpd 13	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) /\ ( u e. A /\ -. u e. ( f " n ) ) ) -> E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) )
82	71, 81	rexlimddv 2599	. . . . . . . . 9 |- ( ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) /\ n e. om ) -> E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) )
83	82	ralrimiva 2550	. . . . . . . 8 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) -> A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) )
84	18, 83	jca 306	. . . . . . 7 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) -> ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) )
85	84	3com23 1209	. . . . . 6 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ om ~<_ A /\ f : om -onto-> A ) -> ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) )
86	85	3expia 1205	. . . . 5 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ om ~<_ A ) -> ( f : om -onto-> A -> ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) ) )
87	86	eximdv 1880	. . . 4 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ om ~<_ A ) -> ( E. f f : om -onto-> A -> E. f ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) ) )
88	16, 17, 87	sylc 62	. . 3 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) -> E. f ( f : om -onto-> A /\ A. n e. om E. k e. om -. ( f ` k ) e. ( f " n ) ) )
89	15, 88, 1	sylanbrc 417	. 2 |- ( ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) -> A ~~ NN )
90	14, 89	impbii 126	1 |- ( A ~~ NN <-> ( A. x e. A A. y e. A DECID x = y /\ E. f f : om -onto-> A /\ om ~<_ A ) )

Syntax hints:   -. wn 3   -> wi 4   /\ wa 104   <-> wb 105  DECID wdc 834   /\ w3a 978   = wceq 1353   E.wex 1492   e. wcel 2148   A.wral 2455   E.wrex 2456   C_ wss 3129   class class class wbr 4000   Tr wtr 4098   Ord word 4359   omcom 4586   dom cdm 4623   ran crn 4624   |` cres 4625   "cima 4626   Fun wfun 5206   -->wf 5208   -onto->wfo 5210   ` cfv 5212   ~~ cen 6732   ~<_ cdom 6733   Fincfn 6734   NNcn 8908

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 614  ax-in2 615  ax-io 709  ax-5 1447  ax-7 1448  ax-gen 1449  ax-ie1 1493  ax-ie2 1494  ax-8 1504  ax-10 1505  ax-11 1506  ax-i12 1507  ax-bndl 1509  ax-4 1510  ax-17 1526  ax-i9 1530  ax-ial 1534  ax-i5r 1535  ax-13 2150  ax-14 2151  ax-ext 2159  ax-coll 4115  ax-sep 4118  ax-nul 4126  ax-pow 4171  ax-pr 4206  ax-un 4430  ax-setind 4533  ax-iinf 4584  ax-cnex 7893  ax-resscn 7894  ax-1cn 7895  ax-1re 7896  ax-icn 7897  ax-addcl 7898  ax-addrcl 7899  ax-mulcl 7900  ax-addcom 7902  ax-addass 7904  ax-distr 7906  ax-i2m1 7907  ax-0lt1 7908  ax-0id 7910  ax-rnegex 7911  ax-cnre 7913  ax-pre-ltirr 7914  ax-pre-ltwlin 7915  ax-pre-lttrn 7916  ax-pre-ltadd 7918

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 835  df-3or 979  df-3an 980  df-tru 1356  df-fal 1359  df-nf 1461  df-sb 1763  df-eu 2029  df-mo 2030  df-clab 2164  df-cleq 2170  df-clel 2173  df-nfc 2308  df-ne 2348  df-nel 2443  df-ral 2460  df-rex 2461  df-reu 2462  df-rab 2464  df-v 2739  df-sbc 2963  df-csb 3058  df-dif 3131  df-un 3133  df-in 3135  df-ss 3142  df-nul 3423  df-if 3535  df-pw 3576  df-sn 3597  df-pr 3598  df-op 3600  df-uni 3808  df-int 3843  df-iun 3886  df-br 4001  df-opab 4062  df-mpt 4063  df-tr 4099  df-id 4290  df-iord 4363  df-on 4365  df-ilim 4366  df-suc 4368  df-iom 4587  df-xp 4629  df-rel 4630  df-cnv 4631  df-co 4632  df-dm 4633  df-rn 4634  df-res 4635  df-ima 4636  df-iota 5174  df-fun 5214  df-fn 5215  df-f 5216  df-f1 5217  df-fo 5218  df-f1o 5219  df-fv 5220  df-riota 5825  df-ov 5872  df-oprab 5873  df-mpo 5874  df-1st 6135  df-2nd 6136  df-recs 6300  df-frec 6386  df-1o 6411  df-er 6529  df-pm 6645  df-en 6735  df-dom 6736  df-fin 6737  df-dju 7031  df-inl 7040  df-inr 7041  df-case 7077  df-pnf 7984  df-mnf 7985  df-xr 7986  df-ltxr 7987  df-le 7988  df-sub 8120  df-neg 8121  df-inn 8909  df-n0 9166  df-z 9243  df-uz 9518  df-fz 9996  df-seqfrec 10432

This theorem is referenced by:  qnnen  12415  unbendc  12438