MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  bitsf1ocnv Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem bitsf1ocnv 15783
Description: The bits function restricted to nonnegative integers is a bijection from the integers to the finite sets of integers. It is in fact the inverse of the Ackermann bijection ackbijnn 15173. (Contributed by Mario Carneiro, 8-Sep-2016.)
Assertion
Ref Expression
bitsf1ocnv ((bits ↾ ℕ0):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ (bits ↾ ℕ0) = (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↦ Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
Distinct variable group:   𝑥,𝑛

Proof of Theorem bitsf1ocnv
Dummy variable 𝑘 is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 eqid 2826 . . . . . 6 (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘))
2 bitsss 15765 . . . . . . . . 9 (bits‘𝑘) ⊆ ℕ0
32a1i 11 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ0 → (bits‘𝑘) ⊆ ℕ0)
4 bitsfi 15776 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ0 → (bits‘𝑘) ∈ Fin)
5 elfpw 8815 . . . . . . . 8 ((bits‘𝑘) ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↔ ((bits‘𝑘) ⊆ ℕ0 ∧ (bits‘𝑘) ∈ Fin))
63, 4, 5sylanbrc 583 . . . . . . 7 (𝑘 ∈ ℕ0 → (bits‘𝑘) ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin))
76adantl 482 . . . . . 6 ((⊤ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (bits‘𝑘) ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin))
8 elinel2 4177 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → 𝑥 ∈ Fin)
9 2nn0 11903 . . . . . . . . . 10 2 ∈ ℕ0
109a1i 11 . . . . . . . . 9 ((𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ 𝑛𝑥) → 2 ∈ ℕ0)
11 elfpw 8815 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↔ (𝑥 ⊆ ℕ0𝑥 ∈ Fin))
1211simplbi 498 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → 𝑥 ⊆ ℕ0)
1312sselda 3971 . . . . . . . . 9 ((𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ 𝑛𝑥) → 𝑛 ∈ ℕ0)
1410, 13nn0expcld 13597 . . . . . . . 8 ((𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ 𝑛𝑥) → (2↑𝑛) ∈ ℕ0)
158, 14fsumnn0cl 15083 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) ∈ ℕ0)
1615adantl 482 . . . . . 6 ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin)) → Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) ∈ ℕ0)
17 bitsinv2 15782 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → (bits‘Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)) = 𝑥)
1817eqcomd 2832 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → 𝑥 = (bits‘Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
1918ad2antll 725 . . . . . . . 8 ((⊤ ∧ (𝑘 ∈ ℕ0𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin))) → 𝑥 = (bits‘Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
20 fveq2 6667 . . . . . . . . 9 (𝑘 = Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) → (bits‘𝑘) = (bits‘Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
2120eqeq2d 2837 . . . . . . . 8 (𝑘 = Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) → (𝑥 = (bits‘𝑘) ↔ 𝑥 = (bits‘Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛))))
2219, 21syl5ibrcom 248 . . . . . . 7 ((⊤ ∧ (𝑘 ∈ ℕ0𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin))) → (𝑘 = Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) → 𝑥 = (bits‘𝑘)))
23 bitsinv1 15781 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ ℕ0 → Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛) = 𝑘)
2423eqcomd 2832 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ ℕ0𝑘 = Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛))
2524ad2antrl 724 . . . . . . . 8 ((⊤ ∧ (𝑘 ∈ ℕ0𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin))) → 𝑘 = Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛))
26 sumeq1 15035 . . . . . . . . 9 (𝑥 = (bits‘𝑘) → Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) = Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛))
2726eqeq2d 2837 . . . . . . . 8 (𝑥 = (bits‘𝑘) → (𝑘 = Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) ↔ 𝑘 = Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛)))
2825, 27syl5ibrcom 248 . . . . . . 7 ((⊤ ∧ (𝑘 ∈ ℕ0𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin))) → (𝑥 = (bits‘𝑘) → 𝑘 = Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
2922, 28impbid 213 . . . . . 6 ((⊤ ∧ (𝑘 ∈ ℕ0𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin))) → (𝑘 = Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) ↔ 𝑥 = (bits‘𝑘)))
301, 7, 16, 29f1ocnv2d 7388 . . . . 5 (⊤ → ((𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)) = (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↦ Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛))))
3130simpld 495 . . . 4 (⊤ → (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin))
32 bitsf 15766 . . . . . . . . 9 bits:ℤ⟶𝒫 ℕ0
3332a1i 11 . . . . . . . 8 (⊤ → bits:ℤ⟶𝒫 ℕ0)
3433feqmptd 6730 . . . . . . 7 (⊤ → bits = (𝑘 ∈ ℤ ↦ (bits‘𝑘)))
3534reseq1d 5851 . . . . . 6 (⊤ → (bits ↾ ℕ0) = ((𝑘 ∈ ℤ ↦ (bits‘𝑘)) ↾ ℕ0))
36 nn0ssz 11992 . . . . . . 7 0 ⊆ ℤ
37 resmpt 5904 . . . . . . 7 (ℕ0 ⊆ ℤ → ((𝑘 ∈ ℤ ↦ (bits‘𝑘)) ↾ ℕ0) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)))
3836, 37ax-mp 5 . . . . . 6 ((𝑘 ∈ ℤ ↦ (bits‘𝑘)) ↾ ℕ0) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘))
3935, 38syl6eq 2877 . . . . 5 (⊤ → (bits ↾ ℕ0) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)))
40 f1oeq1 6601 . . . . 5 ((bits ↾ ℕ0) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)) → ((bits ↾ ℕ0):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↔ (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin)))
4139, 40syl 17 . . . 4 (⊤ → ((bits ↾ ℕ0):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↔ (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin)))
4231, 41mpbird 258 . . 3 (⊤ → (bits ↾ ℕ0):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin))
4339cnveqd 5745 . . . 4 (⊤ → (bits ↾ ℕ0) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)))
4430simprd 496 . . . 4 (⊤ → (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)) = (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↦ Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
4543, 44eqtrd 2861 . . 3 (⊤ → (bits ↾ ℕ0) = (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↦ Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
4642, 45jca 512 . 2 (⊤ → ((bits ↾ ℕ0):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ (bits ↾ ℕ0) = (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↦ Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛))))
4746mptru 1537 1 ((bits ↾ ℕ0):ℕ01-1-onto→(𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ (bits ↾ ℕ0) = (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↦ Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wb 207  wa 396   = wceq 1530  wtru 1531  wcel 2107  cin 3939  wss 3940  𝒫 cpw 4542  cmpt 5143  ccnv 5553  cres 5556  wf 6348  1-1-ontowf1o 6351  cfv 6352  (class class class)co 7148  Fincfn 8498  2c2 11681  0cn0 11886  cz 11970  cexp 13419  Σcsu 15032  bitscbits 15758
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1789  ax-4 1803  ax-5 1904  ax-6 1963  ax-7 2008  ax-8 2109  ax-9 2117  ax-10 2138  ax-11 2153  ax-12 2169  ax-ext 2798  ax-rep 5187  ax-sep 5200  ax-nul 5207  ax-pow 5263  ax-pr 5326  ax-un 7451  ax-inf2 9093  ax-cnex 10582  ax-resscn 10583  ax-1cn 10584  ax-icn 10585  ax-addcl 10586  ax-addrcl 10587  ax-mulcl 10588  ax-mulrcl 10589  ax-mulcom 10590  ax-addass 10591  ax-mulass 10592  ax-distr 10593  ax-i2m1 10594  ax-1ne0 10595  ax-1rid 10596  ax-rnegex 10597  ax-rrecex 10598  ax-cnre 10599  ax-pre-lttri 10600  ax-pre-lttrn 10601  ax-pre-ltadd 10602  ax-pre-mulgt0 10603  ax-pre-sup 10604
This theorem depends on definitions:  df-bi 208  df-an 397  df-or 844  df-3or 1082  df-3an 1083  df-tru 1533  df-fal 1543  df-ex 1774  df-nf 1778  df-sb 2063  df-mo 2620  df-eu 2652  df-clab 2805  df-cleq 2819  df-clel 2898  df-nfc 2968  df-ne 3022  df-nel 3129  df-ral 3148  df-rex 3149  df-reu 3150  df-rmo 3151  df-rab 3152  df-v 3502  df-sbc 3777  df-csb 3888  df-dif 3943  df-un 3945  df-in 3947  df-ss 3956  df-pss 3958  df-nul 4296  df-if 4471  df-pw 4544  df-sn 4565  df-pr 4567  df-tp 4569  df-op 4571  df-uni 4838  df-int 4875  df-iun 4919  df-disj 5029  df-br 5064  df-opab 5126  df-mpt 5144  df-tr 5170  df-id 5459  df-eprel 5464  df-po 5473  df-so 5474  df-fr 5513  df-se 5514  df-we 5515  df-xp 5560  df-rel 5561  df-cnv 5562  df-co 5563  df-dm 5564  df-rn 5565  df-res 5566  df-ima 5567  df-pred 6146  df-ord 6192  df-on 6193  df-lim 6194  df-suc 6195  df-iota 6312  df-fun 6354  df-fn 6355  df-f 6356  df-f1 6357  df-fo 6358  df-f1o 6359  df-fv 6360  df-isom 6361  df-riota 7106  df-ov 7151  df-oprab 7152  df-mpo 7153  df-om 7569  df-1st 7680  df-2nd 7681  df-wrecs 7938  df-recs 7999  df-rdg 8037  df-1o 8093  df-2o 8094  df-oadd 8097  df-er 8279  df-map 8398  df-pm 8399  df-en 8499  df-dom 8500  df-sdom 8501  df-fin 8502  df-sup 8895  df-inf 8896  df-oi 8963  df-dju 9319  df-card 9357  df-pnf 10666  df-mnf 10667  df-xr 10668  df-ltxr 10669  df-le 10670  df-sub 10861  df-neg 10862  df-div 11287  df-nn 11628  df-2 11689  df-3 11690  df-n0 11887  df-xnn0 11957  df-z 11971  df-uz 12233  df-rp 12380  df-fz 12883  df-fzo 13024  df-fl 13152  df-mod 13228  df-seq 13360  df-exp 13420  df-hash 13681  df-cj 14448  df-re 14449  df-im 14450  df-sqrt 14584  df-abs 14585  df-clim 14835  df-sum 15033  df-dvds 15598  df-bits 15761
This theorem is referenced by:  bitsf1o  15784  bitsinv  15787
  Copyright terms: Public domain W3C validator