Theorem dftrcl3 44293

Description: Transitive closure of a relation, expressed as indexed union of powers of relations. (Contributed by RP, 5-Jun-2020.)

Assertion

Ref	Expression
dftrcl3	⊢ t+ = (𝑟 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))

Distinct variable group:   𝑛,𝑟

Proof of Theorem dftrcl3

Dummy variables 𝑘 𝑎 𝑡 𝑠 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		df-trcl 15000	. 2 ⊢ t+ = (𝑟 ∈ V ↦ ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)})
2		relexp1g 15039	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 ∈ V → (𝑟↑𝑟1) = 𝑟)
3		nnex 12216	. . . . . . . . 9 ⊢ ℕ ∈ V
4		1nn 12221	. . . . . . . . 9 ⊢ 1 ∈ ℕ
5		oveq1 7403	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑎 = 𝑡 → (𝑎↑𝑟𝑛) = (𝑡↑𝑟𝑛))
6	5	iuneq2d 4980	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑎 = 𝑡 → ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛) = ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑛))
7		oveq2 7404	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 = 𝑘 → (𝑡↑𝑟𝑛) = (𝑡↑𝑟𝑘))
8	7	cbviunv 4996	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑛) = ∪ 𝑘 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑘)
9	6, 8	eqtrdi 2813	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑎 = 𝑡 → ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛) = ∪ 𝑘 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑘))
10	9	cbvmptv 5204	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛)) = (𝑡 ∈ V ↦ ∪ 𝑘 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑘))
11	10	ov2ssiunov2 44273	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑟 ∈ V ∧ ℕ ∈ V ∧ 1 ∈ ℕ) → (𝑟↑𝑟1) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
12	3, 4, 11	mp3an23 1474	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 ∈ V → (𝑟↑𝑟1) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
13	2, 12	eqsstrrd 3971	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 ∈ V → 𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
14		nnuz 12878	. . . . . . . 8 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
15		1nn0 12497	. . . . . . . 8 ⊢ 1 ∈ ℕ0
16	10	iunrelexpuztr 44292	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑟 ∈ V ∧ ℕ = (ℤ≥‘1) ∧ 1 ∈ ℕ0) → (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
17	14, 15, 16	mp3an23 1474	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 ∈ V → (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
18		fvex 6880	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ V
19		trcleq2lem 15004	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))))
20	19	a1i 11	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑟 ∈ V → (𝑧 = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)))))
21	20	alrimiv 1947	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∀𝑧(𝑧 = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)))))
22		elabgt 3631	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ V ∧ ∀𝑧(𝑧 = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))))) → (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))))
23	18, 21, 22	sylancr 596	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 ∈ V → (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))))
24	13, 17, 23	mpbir2and 723	. . . . . 6 ⊢ (𝑟 ∈ V → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)})
25		intss1 4921	. . . . . 6 ⊢ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} → ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
26	24, 25	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
27		vex 3458	. . . . . . . . 9 ⊢ 𝑠 ∈ V
28		trcleq2lem 15004	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = 𝑠 → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠)))
29	27, 28	elab 3638	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑠 ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ↔ (𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠))
30		eqid 2762	. . . . . . . . . 10 ⊢ ℕ = ℕ
31	10	iunrelexpmin1 44281	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑟 ∈ V ∧ ℕ = ℕ) → ∀𝑠((𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠) → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠))
32	30, 31	mpan2 701	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∀𝑠((𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠) → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠))
33	32	19.21bi 2224	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 ∈ V → ((𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠) → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠))
34	29, 33	biimtrid 244	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 ∈ V → (𝑠 ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠))
35	34	ralrimiv 3153	. . . . . 6 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∀𝑠 ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠)
36		ssint 4922	. . . . . 6 ⊢ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ↔ ∀𝑠 ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠)
37	35, 36	sylibr 236	. . . . 5 ⊢ (𝑟 ∈ V → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)})
38	26, 37	eqssd 3953	. . . 4 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
39		oveq1 7403	. . . . . 6 ⊢ (𝑎 = 𝑟 → (𝑎↑𝑟𝑛) = (𝑟↑𝑟𝑛))
40	39	iuneq2d 4980	. . . . 5 ⊢ (𝑎 = 𝑟 → ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛) = ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))
41		eqid 2762	. . . . 5 ⊢ (𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛)) = (𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))
42		ovex 7429	. . . . . 6 ⊢ (𝑟↑𝑟𝑛) ∈ V
43	3, 42	iunex 7949	. . . . 5 ⊢ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛) ∈ V
44	40, 41, 43	fvmpt 6975	. . . 4 ⊢ (𝑟 ∈ V → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) = ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))
45	38, 44	eqtrd 2797	. . 3 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} = ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))
46	45	mpteq2ia 5195	. 2 ⊢ (𝑟 ∈ V ↦ ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)}) = (𝑟 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))
47	1, 46	eqtri 2785	1 ⊢ t+ = (𝑟 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 208   ∧ wa 399  ∀wal 1558   = wceq 1560   ∈ wcel 2142  {cab 2740  ∀wral 3076  Vcvv 3454   ⊆ wss 3904  ∩ cint 4905  ∪ ciun 4949   ↦ cmpt 5181   ∘ ccom 5651  ‘cfv 6521  (class class class)co 7396  1c1 11074  ℕcn 12210  ℕ₀cn0 12481  ℤ_≥cuz 12839  t+ctcl 14998  ↑_𝑟crelexp 15032

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1815  ax-4 1829  ax-5 1930  ax-6 1987  ax-7 2028  ax-8 2144  ax-9 2152  ax-10 2175  ax-11 2191  ax-12 2212  ax-ext 2734  ax-rep 5227  ax-sep 5246  ax-nul 5256  ax-pow 5322  ax-pr 5390  ax-un 7718  ax-cnex 11129  ax-resscn 11130  ax-1cn 11131  ax-icn 11132  ax-addcl 11133  ax-addrcl 11134  ax-mulcl 11135  ax-mulrcl 11136  ax-mulcom 11137  ax-addass 11138  ax-mulass 11139  ax-distr 11140  ax-i2m1 11141  ax-1ne0 11142  ax-1rid 11143  ax-rnegex 11144  ax-rrecex 11145  ax-cnre 11146  ax-pre-lttri 11147  ax-pre-lttrn 11148  ax-pre-ltadd 11149  ax-pre-mulgt0 11150

This theorem depends on definitions:  df-bi 209  df-an 400  df-or 859  df-3or 1099  df-3an 1100  df-tru 1563  df-fal 1573  df-ex 1800  df-nf 1804  df-sb 2091  df-mo 2566  df-eu 2596  df-clab 2741  df-cleq 2754  df-clel 2837  df-nfc 2911  df-ne 2958  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-reu 3368  df-rab 3415  df-v 3456  df-sbc 3745  df-csb 3853  df-dif 3907  df-un 3909  df-in 3911  df-ss 3921  df-pss 3924  df-nul 4286  df-if 4481  df-pw 4557  df-sn 4583  df-pr 4585  df-op 4589  df-uni 4866  df-int 4906  df-iun 4951  df-br 5101  df-opab 5163  df-mpt 5182  df-tr 5208  df-id 5542  df-eprel 5547  df-po 5555  df-so 5556  df-fr 5600  df-we 5602  df-xp 5653  df-rel 5654  df-cnv 5655  df-co 5656  df-dm 5657  df-rn 5658  df-res 5659  df-ima 5660  df-pred 6288  df-ord 6349  df-on 6350  df-lim 6351  df-suc 6352  df-iota 6477  df-fun 6523  df-fn 6524  df-f 6525  df-f1 6526  df-fo 6527  df-f1o 6528  df-fv 6529  df-riota 7353  df-ov 7399  df-oprab 7400  df-mpo 7401  df-om 7847  df-2nd 7971  df-frecs 8262  df-wrecs 8293  df-recs 8342  df-rdg 8381  df-er 8678  df-en 8928  df-dom 8929  df-sdom 8930  df-pnf 11218  df-mnf 11219  df-xr 11220  df-ltxr 11221  df-le 11222  df-sub 11416  df-neg 11417  df-nn 12211  df-2 12280  df-n0 12482  df-z 12569  df-uz 12840  df-seq 14015  df-trcl 15000  df-relexp 15033

This theorem is referenced by:  brfvtrcld  44294  fvtrcllb1d  44295  trclfvcom  44296  cnvtrclfv  44297  cotrcltrcl  44298  trclimalb2  44299  trclfvdecomr  44301  dfrtrcl4  44311  corcltrcl  44312  cotrclrcl  44315