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

Theorem bitsf1ocnv 15781
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 15171. (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 2818 . . . . . 6 (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘))
2 bitsss 15763 . . . . . . . . 9 (bits‘𝑘) ⊆ ℕ0
32a1i 11 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ0 → (bits‘𝑘) ⊆ ℕ0)
4 bitsfi 15774 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ0 → (bits‘𝑘) ∈ Fin)
5 elfpw 8814 . . . . . . . 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 4170 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → 𝑥 ∈ Fin)
9 2nn0 11902 . . . . . . . . . 10 2 ∈ ℕ0
109a1i 11 . . . . . . . . 9 ((𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ 𝑛𝑥) → 2 ∈ ℕ0)
11 elfpw 8814 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↔ (𝑥 ⊆ ℕ0𝑥 ∈ Fin))
1211simplbi 498 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → 𝑥 ⊆ ℕ0)
1312sselda 3964 . . . . . . . . 9 ((𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ 𝑛𝑥) → 𝑛 ∈ ℕ0)
1410, 13nn0expcld 13595 . . . . . . . 8 ((𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ∧ 𝑛𝑥) → (2↑𝑛) ∈ ℕ0)
158, 14fsumnn0cl 15081 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) ∈ ℕ0)
1615adantl 482 . . . . . 6 ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin)) → Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) ∈ ℕ0)
17 bitsinv2 15780 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) → (bits‘Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)) = 𝑥)
1817eqcomd 2824 . . . . . . . . 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 6663 . . . . . . . . 9 (𝑘 = Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) → (bits‘𝑘) = (bits‘Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
2120eqeq2d 2829 . . . . . . . 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 15779 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ ℕ0 → Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛) = 𝑘)
2423eqcomd 2824 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ ℕ0𝑘 = Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛))
2524ad2antrl 724 . . . . . . . 8 ((⊤ ∧ (𝑘 ∈ ℕ0𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin))) → 𝑘 = Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛))
26 sumeq1 15033 . . . . . . . . 9 (𝑥 = (bits‘𝑘) → Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛) = Σ𝑛 ∈ (bits‘𝑘)(2↑𝑛))
2726eqeq2d 2829 . . . . . . . 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 7387 . . . . 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 15764 . . . . . . . . 9 bits:ℤ⟶𝒫 ℕ0
3332a1i 11 . . . . . . . 8 (⊤ → bits:ℤ⟶𝒫 ℕ0)
3433feqmptd 6726 . . . . . . 7 (⊤ → bits = (𝑘 ∈ ℤ ↦ (bits‘𝑘)))
3534reseq1d 5845 . . . . . 6 (⊤ → (bits ↾ ℕ0) = ((𝑘 ∈ ℤ ↦ (bits‘𝑘)) ↾ ℕ0))
36 nn0ssz 11991 . . . . . . 7 0 ⊆ ℤ
37 resmpt 5898 . . . . . . 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 2869 . . . . 5 (⊤ → (bits ↾ ℕ0) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)))
40 f1oeq1 6597 . . . . 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 5739 . . . 4 (⊤ → (bits ↾ ℕ0) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)))
4430simprd 496 . . . 4 (⊤ → (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (bits‘𝑘)) = (𝑥 ∈ (𝒫 ℕ0 ∩ Fin) ↦ Σ𝑛𝑥 (2↑𝑛)))
4543, 44eqtrd 2853 . . 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 1535 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 1528  wtru 1529  wcel 2105  cin 3932  wss 3933  𝒫 cpw 4535  cmpt 5137  ccnv 5547  cres 5550  wf 6344  1-1-ontowf1o 6347  cfv 6348  (class class class)co 7145  Fincfn 8497  2c2 11680  0cn0 11885  cz 11969  cexp 13417  Σcsu 15030  bitscbits 15756
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1787  ax-4 1801  ax-5 1902  ax-6 1961  ax-7 2006  ax-8 2107  ax-9 2115  ax-10 2136  ax-11 2151  ax-12 2167  ax-ext 2790  ax-rep 5181  ax-sep 5194  ax-nul 5201  ax-pow 5257  ax-pr 5320  ax-un 7450  ax-inf2 9092  ax-cnex 10581  ax-resscn 10582  ax-1cn 10583  ax-icn 10584  ax-addcl 10585  ax-addrcl 10586  ax-mulcl 10587  ax-mulrcl 10588  ax-mulcom 10589  ax-addass 10590  ax-mulass 10591  ax-distr 10592  ax-i2m1 10593  ax-1ne0 10594  ax-1rid 10595  ax-rnegex 10596  ax-rrecex 10597  ax-cnre 10598  ax-pre-lttri 10599  ax-pre-lttrn 10600  ax-pre-ltadd 10601  ax-pre-mulgt0 10602  ax-pre-sup 10603
This theorem depends on definitions:  df-bi 208  df-an 397  df-or 842  df-3or 1080  df-3an 1081  df-tru 1531  df-fal 1541  df-ex 1772  df-nf 1776  df-sb 2061  df-mo 2615  df-eu 2647  df-clab 2797  df-cleq 2811  df-clel 2890  df-nfc 2960  df-ne 3014  df-nel 3121  df-ral 3140  df-rex 3141  df-reu 3142  df-rmo 3143  df-rab 3144  df-v 3494  df-sbc 3770  df-csb 3881  df-dif 3936  df-un 3938  df-in 3940  df-ss 3949  df-pss 3951  df-nul 4289  df-if 4464  df-pw 4537  df-sn 4558  df-pr 4560  df-tp 4562  df-op 4564  df-uni 4831  df-int 4868  df-iun 4912  df-disj 5023  df-br 5058  df-opab 5120  df-mpt 5138  df-tr 5164  df-id 5453  df-eprel 5458  df-po 5467  df-so 5468  df-fr 5507  df-se 5508  df-we 5509  df-xp 5554  df-rel 5555  df-cnv 5556  df-co 5557  df-dm 5558  df-rn 5559  df-res 5560  df-ima 5561  df-pred 6141  df-ord 6187  df-on 6188  df-lim 6189  df-suc 6190  df-iota 6307  df-fun 6350  df-fn 6351  df-f 6352  df-f1 6353  df-fo 6354  df-f1o 6355  df-fv 6356  df-isom 6357  df-riota 7103  df-ov 7148  df-oprab 7149  df-mpo 7150  df-om 7570  df-1st 7678  df-2nd 7679  df-wrecs 7936  df-recs 7997  df-rdg 8035  df-1o 8091  df-2o 8092  df-oadd 8095  df-er 8278  df-map 8397  df-pm 8398  df-en 8498  df-dom 8499  df-sdom 8500  df-fin 8501  df-sup 8894  df-inf 8895  df-oi 8962  df-dju 9318  df-card 9356  df-pnf 10665  df-mnf 10666  df-xr 10667  df-ltxr 10668  df-le 10669  df-sub 10860  df-neg 10861  df-div 11286  df-nn 11627  df-2 11688  df-3 11689  df-n0 11886  df-xnn0 11956  df-z 11970  df-uz 12232  df-rp 12378  df-fz 12881  df-fzo 13022  df-fl 13150  df-mod 13226  df-seq 13358  df-exp 13418  df-hash 13679  df-cj 14446  df-re 14447  df-im 14448  df-sqrt 14582  df-abs 14583  df-clim 14833  df-sum 15031  df-dvds 15596  df-bits 15759
This theorem is referenced by:  bitsf1o  15782  bitsinv  15785
  Copyright terms: Public domain W3C validator