Theorem archnqq 7529

Description: For any fraction, there is an integer that is greater than it. This is also known as the "archimedean property". (Contributed by Jim Kingdon, 1-Dec-2019.)

Assertion

Ref	Expression
archnqq	⊢ (𝐴 ∈ Q → ∃𝑥 ∈ N 𝐴 <Q [⟨𝑥, 1o⟩] ~Q )

Distinct variable group:   𝑥,𝐴

Proof of Theorem archnqq

Dummy variables 𝑤 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nqpi 7490	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ Q → ∃𝑧∃𝑤((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) ∧ 𝐴 = [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q ))
2		1pi 7427	. . . . . . 7 ⊢ 1o ∈ N
3		addclpi 7439	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 1o ∈ N) → (𝑧 +N 1o) ∈ N)
4	2, 3	mpan2 425	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 ∈ N → (𝑧 +N 1o) ∈ N)
5	4	adantr 276	. . . . 5 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 +N 1o) ∈ N)
6	5	adantr 276	. . . 4 ⊢ (((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) ∧ 𝐴 = [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q ) → (𝑧 +N 1o) ∈ N)
7		pinn 7421	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑧 ∈ N → 𝑧 ∈ ω)
8		1onn 6605	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 1o ∈ ω
9		nnacl 6565	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑧 ∈ ω ∧ 1o ∈ ω) → (𝑧 +o 1o) ∈ ω)
10	7, 8, 9	sylancl 413	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑧 ∈ N → (𝑧 +o 1o) ∈ ω)
11	10	adantr 276	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 +o 1o) ∈ ω)
12		nnm1 6610	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑧 +o 1o) ∈ ω → ((𝑧 +o 1o) ·o 1o) = (𝑧 +o 1o))
13	11, 12	syl 14	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +o 1o) ·o 1o) = (𝑧 +o 1o))
14		elni2 7426	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑤 ∈ N ↔ (𝑤 ∈ ω ∧ ∅ ∈ 𝑤))
15		nnord 4659	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝑤 ∈ ω → Ord 𝑤)
16		ordgt0ge1 6520	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (Ord 𝑤 → (∅ ∈ 𝑤 ↔ 1o ⊆ 𝑤))
17	16	biimpa 296	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((Ord 𝑤 ∧ ∅ ∈ 𝑤) → 1o ⊆ 𝑤)
18	15, 17	sylan 283	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑤 ∈ ω ∧ ∅ ∈ 𝑤) → 1o ⊆ 𝑤)
19	14, 18	sylbi 121	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑤 ∈ N → 1o ⊆ 𝑤)
20	19	adantl 277	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → 1o ⊆ 𝑤)
21		pinn 7421	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑤 ∈ N → 𝑤 ∈ ω)
22	21	adantl 277	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → 𝑤 ∈ ω)
23		nnaword1 6598	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑧 ∈ ω ∧ 1o ∈ ω) → 𝑧 ⊆ (𝑧 +o 1o))
24	7, 8, 23	sylancl 413	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝑧 ∈ N → 𝑧 ⊆ (𝑧 +o 1o))
25		elni2 7426	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑧 ∈ N ↔ (𝑧 ∈ ω ∧ ∅ ∈ 𝑧))
26	25	simprbi 275	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝑧 ∈ N → ∅ ∈ 𝑧)
27	24, 26	sseldd 3193	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑧 ∈ N → ∅ ∈ (𝑧 +o 1o))
28	27	adantr 276	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ∅ ∈ (𝑧 +o 1o))
29		nnmword 6603	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((1o ∈ ω ∧ 𝑤 ∈ ω ∧ (𝑧 +o 1o) ∈ ω) ∧ ∅ ∈ (𝑧 +o 1o)) → (1o ⊆ 𝑤 ↔ ((𝑧 +o 1o) ·o 1o) ⊆ ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤)))
30	8, 29	mp3anl1 1343	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑤 ∈ ω ∧ (𝑧 +o 1o) ∈ ω) ∧ ∅ ∈ (𝑧 +o 1o)) → (1o ⊆ 𝑤 ↔ ((𝑧 +o 1o) ·o 1o) ⊆ ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤)))
31	22, 11, 28, 30	syl21anc 1248	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (1o ⊆ 𝑤 ↔ ((𝑧 +o 1o) ·o 1o) ⊆ ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤)))
32	20, 31	mpbid 147	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +o 1o) ·o 1o) ⊆ ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤))
33	13, 32	eqsstrrd 3229	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 +o 1o) ⊆ ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤))
34		nna0 6559	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑧 ∈ ω → (𝑧 +o ∅) = 𝑧)
35		0lt1o 6525	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ∅ ∈ 1o
36		nnaordi 6593	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((1o ∈ ω ∧ 𝑧 ∈ ω) → (∅ ∈ 1o → (𝑧 +o ∅) ∈ (𝑧 +o 1o)))
37	8, 36	mpan 424	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑧 ∈ ω → (∅ ∈ 1o → (𝑧 +o ∅) ∈ (𝑧 +o 1o)))
38	35, 37	mpi 15	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑧 ∈ ω → (𝑧 +o ∅) ∈ (𝑧 +o 1o))
39	34, 38	eqeltrrd 2282	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑧 ∈ ω → 𝑧 ∈ (𝑧 +o 1o))
40	7, 39	syl 14	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑧 ∈ N → 𝑧 ∈ (𝑧 +o 1o))
41	40	adantr 276	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → 𝑧 ∈ (𝑧 +o 1o))
42	33, 41	sseldd 3193	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → 𝑧 ∈ ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤))
43		mulclpi 7440	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝑧 +N 1o) ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) ∈ N)
44	4, 43	sylan 283	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) ∈ N)
45		ltpiord 7431	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) ∈ N) → (𝑧 <N ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) ↔ 𝑧 ∈ ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤)))
46	44, 45	syldan 282	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 <N ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) ↔ 𝑧 ∈ ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤)))
47		mulpiord 7429	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑧 +N 1o) ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) = ((𝑧 +N 1o) ·o 𝑤))
48	4, 47	sylan 283	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) = ((𝑧 +N 1o) ·o 𝑤))
49		addpiord 7428	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 1o ∈ N) → (𝑧 +N 1o) = (𝑧 +o 1o))
50	2, 49	mpan2 425	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑧 ∈ N → (𝑧 +N 1o) = (𝑧 +o 1o))
51	50	adantr 276	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 +N 1o) = (𝑧 +o 1o))
52	51	oveq1d 5958	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ·o 𝑤) = ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤))
53	48, 52	eqtrd 2237	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) = ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤))
54	53	eleq2d 2274	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 ∈ ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) ↔ 𝑧 ∈ ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤)))
55	46, 54	bitrd 188	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 <N ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) ↔ 𝑧 ∈ ((𝑧 +o 1o) ·o 𝑤)))
56	42, 55	mpbird 167	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → 𝑧 <N ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤))
57		mulcompig 7443	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑧 +N 1o) ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) = (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o)))
58	4, 57	sylan 283	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) = (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o)))
59	58	breq2d 4055	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 <N ((𝑧 +N 1o) ·N 𝑤) ↔ 𝑧 <N (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o))))
60	56, 59	mpbid 147	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → 𝑧 <N (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o)))
61	5, 2	jctir 313	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 +N 1o) ∈ N ∧ 1o ∈ N))
62		ordpipqqs 7486	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) ∧ ((𝑧 +N 1o) ∈ N ∧ 1o ∈ N)) → ([⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ↔ (𝑧 ·N 1o) <N (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o))))
63	61, 62	mpdan 421	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ([⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ↔ (𝑧 ·N 1o) <N (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o))))
64		mulidpi 7430	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 ∈ N → (𝑧 ·N 1o) = 𝑧)
65	64	adantr 276	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → (𝑧 ·N 1o) = 𝑧)
66	65	breq1d 4053	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ((𝑧 ·N 1o) <N (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o)) ↔ 𝑧 <N (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o))))
67	63, 66	bitrd 188	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → ([⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ↔ 𝑧 <N (𝑤 ·N (𝑧 +N 1o))))
68	60, 67	mpbird 167	. . . . . 6 ⊢ ((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) → [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q )
69	68	adantr 276	. . . . 5 ⊢ (((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) ∧ 𝐴 = [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q ) → [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q )
70		breq1 4046	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 = [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q → (𝐴 <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ↔ [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ))
71	70	adantl 277	. . . . 5 ⊢ (((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) ∧ 𝐴 = [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q ) → (𝐴 <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ↔ [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ))
72	69, 71	mpbird 167	. . . 4 ⊢ (((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) ∧ 𝐴 = [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q ) → 𝐴 <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q )
73		opeq1 3818	. . . . . . 7 ⊢ (𝑥 = (𝑧 +N 1o) → ⟨𝑥, 1o⟩ = ⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩)
74	73	eceq1d 6655	. . . . . 6 ⊢ (𝑥 = (𝑧 +N 1o) → [⟨𝑥, 1o⟩] ~Q = [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q )
75	74	breq2d 4055	. . . . 5 ⊢ (𝑥 = (𝑧 +N 1o) → (𝐴 <Q [⟨𝑥, 1o⟩] ~Q ↔ 𝐴 <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ))
76	75	rspcev 2876	. . . 4 ⊢ (((𝑧 +N 1o) ∈ N ∧ 𝐴 <Q [⟨(𝑧 +N 1o), 1o⟩] ~Q ) → ∃𝑥 ∈ N 𝐴 <Q [⟨𝑥, 1o⟩] ~Q )
77	6, 72, 76	syl2anc 411	. . 3 ⊢ (((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) ∧ 𝐴 = [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q ) → ∃𝑥 ∈ N 𝐴 <Q [⟨𝑥, 1o⟩] ~Q )
78	77	exlimivv 1919	. 2 ⊢ (∃𝑧∃𝑤((𝑧 ∈ N ∧ 𝑤 ∈ N) ∧ 𝐴 = [⟨𝑧, 𝑤⟩] ~Q ) → ∃𝑥 ∈ N 𝐴 <Q [⟨𝑥, 1o⟩] ~Q )
79	1, 78	syl 14	1 ⊢ (𝐴 ∈ Q → ∃𝑥 ∈ N 𝐴 <Q [⟨𝑥, 1o⟩] ~Q )

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 104   ↔ wb 105   = wceq 1372  ∃wex 1514   ∈ wcel 2175  ∃wrex 2484   ⊆ wss 3165  ∅c0 3459  ⟨cop 3635   class class class wbr 4043  Ord word 4408  ωcom 4637  (class class class)co 5943  1_oc1o 6494   +_o coa 6498   ·_o comu 6499  [cec 6617  Ncnpi 7384   +_N cpli 7385   ·_N cmi 7386   <_N clti 7387   ~_Q ceq 7391  Qcnq 7392   <_Q cltq 7397

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 615  ax-in2 616  ax-io 710  ax-5 1469  ax-7 1470  ax-gen 1471  ax-ie1 1515  ax-ie2 1516  ax-8 1526  ax-10 1527  ax-11 1528  ax-i12 1529  ax-bndl 1531  ax-4 1532  ax-17 1548  ax-i9 1552  ax-ial 1556  ax-i5r 1557  ax-13 2177  ax-14 2178  ax-ext 2186  ax-coll 4158  ax-sep 4161  ax-nul 4169  ax-pow 4217  ax-pr 4252  ax-un 4479  ax-setind 4584  ax-iinf 4635

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 836  df-3or 981  df-3an 982  df-tru 1375  df-fal 1378  df-nf 1483  df-sb 1785  df-eu 2056  df-mo 2057  df-clab 2191  df-cleq 2197  df-clel 2200  df-nfc 2336  df-ne 2376  df-ral 2488  df-rex 2489  df-reu 2490  df-rab 2492  df-v 2773  df-sbc 2998  df-csb 3093  df-dif 3167  df-un 3169  df-in 3171  df-ss 3178  df-nul 3460  df-pw 3617  df-sn 3638  df-pr 3639  df-op 3641  df-uni 3850  df-int 3885  df-iun 3928  df-br 4044  df-opab 4105  df-mpt 4106  df-tr 4142  df-eprel 4335  df-id 4339  df-iord 4412  df-on 4414  df-suc 4417  df-iom 4638  df-xp 4680  df-rel 4681  df-cnv 4682  df-co 4683  df-dm 4684  df-rn 4685  df-res 4686  df-ima 4687  df-iota 5231  df-fun 5272  df-fn 5273  df-f 5274  df-f1 5275  df-fo 5276  df-f1o 5277  df-fv 5278  df-ov 5946  df-oprab 5947  df-mpo 5948  df-1st 6225  df-2nd 6226  df-recs 6390  df-irdg 6455  df-1o 6501  df-oadd 6505  df-omul 6506  df-er 6619  df-ec 6621  df-qs 6625  df-ni 7416  df-pli 7417  df-mi 7418  df-lti 7419  df-enq 7459  df-nqqs 7460  df-ltnqqs 7465

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