Theorem oelim2 8542

Description: Ordinal exponentiation with a limit exponent. Part of Exercise 4.36 of [Mendelson] p. 250. (Contributed by NM, 6-Jan-2005.)

Assertion

Ref	Expression
oelim2	⊢ ((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))

Distinct variable groups:   𝑥,𝐴   𝑥,𝐵

Allowed substitution hint:   𝐶(𝑥)

Proof of Theorem oelim2

Dummy variable 𝑦 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		limelon 6381	. . . . . 6 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → 𝐵 ∈ On)
2		0ellim 6380	. . . . . . 7 ⊢ (Lim 𝐵 → ∅ ∈ 𝐵)
3	2	adantl 482	. . . . . 6 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → ∅ ∈ 𝐵)
4		oe0m1 8467	. . . . . . 7 ⊢ (𝐵 ∈ On → (∅ ∈ 𝐵 ↔ (∅ ↑o 𝐵) = ∅))
5	4	biimpa 477	. . . . . 6 ⊢ ((𝐵 ∈ On ∧ ∅ ∈ 𝐵) → (∅ ↑o 𝐵) = ∅)
6	1, 3, 5	syl2anc 584	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → (∅ ↑o 𝐵) = ∅)
7		eldif 3920	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o) ↔ (𝑥 ∈ 𝐵 ∧ ¬ 𝑥 ∈ 1o))
8		limord 6377	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (Lim 𝐵 → Ord 𝐵)
9		ordelon 6341	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((Ord 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ 𝐵) → 𝑥 ∈ On)
10	8, 9	sylan 580	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ 𝐵) → 𝑥 ∈ On)
11		on0eln0 6373	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑥 ∈ On → (∅ ∈ 𝑥 ↔ 𝑥 ≠ ∅))
12		el1o 8441	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑥 ∈ 1o ↔ 𝑥 = ∅)
13	12	necon3bbii 2991	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (¬ 𝑥 ∈ 1o ↔ 𝑥 ≠ ∅)
14	11, 13	bitr4di 288	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑥 ∈ On → (∅ ∈ 𝑥 ↔ ¬ 𝑥 ∈ 1o))
15		oe0m1 8467	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑥 ∈ On → (∅ ∈ 𝑥 ↔ (∅ ↑o 𝑥) = ∅))
16	15	biimpd 228	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑥 ∈ On → (∅ ∈ 𝑥 → (∅ ↑o 𝑥) = ∅))
17	14, 16	sylbird 259	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑥 ∈ On → (¬ 𝑥 ∈ 1o → (∅ ↑o 𝑥) = ∅))
18	10, 17	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ 𝐵) → (¬ 𝑥 ∈ 1o → (∅ ↑o 𝑥) = ∅))
19	18	impr 455	. . . . . . . . 9 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ (𝑥 ∈ 𝐵 ∧ ¬ 𝑥 ∈ 1o)) → (∅ ↑o 𝑥) = ∅)
20	7, 19	sylan2b 594	. . . . . . . 8 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)) → (∅ ↑o 𝑥) = ∅)
21	20	iuneq2dv 4978	. . . . . . 7 ⊢ (Lim 𝐵 → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)∅)
22		df-1o 8412	. . . . . . . . . 10 ⊢ 1o = suc ∅
23		limsuc 7785	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (Lim 𝐵 → (∅ ∈ 𝐵 ↔ suc ∅ ∈ 𝐵))
24	2, 23	mpbid 231	. . . . . . . . . 10 ⊢ (Lim 𝐵 → suc ∅ ∈ 𝐵)
25	22, 24	eqeltrid 2842	. . . . . . . . 9 ⊢ (Lim 𝐵 → 1o ∈ 𝐵)
26		1on 8424	. . . . . . . . . 10 ⊢ 1o ∈ On
27	26	onirri 6430	. . . . . . . . 9 ⊢ ¬ 1o ∈ 1o
28		eldif 3920	. . . . . . . . 9 ⊢ (1o ∈ (𝐵 ∖ 1o) ↔ (1o ∈ 𝐵 ∧ ¬ 1o ∈ 1o))
29	25, 27, 28	sylanblrc 590	. . . . . . . 8 ⊢ (Lim 𝐵 → 1o ∈ (𝐵 ∖ 1o))
30		ne0i 4294	. . . . . . . 8 ⊢ (1o ∈ (𝐵 ∖ 1o) → (𝐵 ∖ 1o) ≠ ∅)
31		iunconst 4963	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐵 ∖ 1o) ≠ ∅ → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)∅ = ∅)
32	29, 30, 31	3syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (Lim 𝐵 → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)∅ = ∅)
33	21, 32	eqtrd 2776	. . . . . 6 ⊢ (Lim 𝐵 → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥) = ∅)
34	33	adantl 482	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥) = ∅)
35	6, 34	eqtr4d 2779	. . . 4 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → (∅ ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥))
36		oveq1 7364	. . . . 5 ⊢ (𝐴 = ∅ → (𝐴 ↑o 𝐵) = (∅ ↑o 𝐵))
37		oveq1 7364	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 = ∅ → (𝐴 ↑o 𝑥) = (∅ ↑o 𝑥))
38	37	iuneq2d 4983	. . . . 5 ⊢ (𝐴 = ∅ → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥))
39	36, 38	eqeq12d 2752	. . . 4 ⊢ (𝐴 = ∅ → ((𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ↔ (∅ ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥)))
40	35, 39	syl5ibr 245	. . 3 ⊢ (𝐴 = ∅ → ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥)))
41	40	impcom 408	. 2 ⊢ (((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) ∧ 𝐴 = ∅) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
42		oelim 8480	. . 3 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦))
43		limsuc 7785	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (Lim 𝐵 → (𝑦 ∈ 𝐵 ↔ suc 𝑦 ∈ 𝐵))
44	43	biimpa 477	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → suc 𝑦 ∈ 𝐵)
45		nsuceq0 6400	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ suc 𝑦 ≠ ∅
46		dif1o 8446	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o) ↔ (suc 𝑦 ∈ 𝐵 ∧ suc 𝑦 ≠ ∅))
47	44, 45, 46	sylanblrc 590	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o))
48	47	ex 413	. . . . . . . . . 10 ⊢ (Lim 𝐵 → (𝑦 ∈ 𝐵 → suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o)))
49	48	ad2antlr 725	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ∈ 𝐵 → suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o)))
50		sssucid 6397	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 𝑦 ⊆ suc 𝑦
51		ordelon 6341	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((Ord 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → 𝑦 ∈ On)
52	8, 51	sylan 580	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → 𝑦 ∈ On)
53		onsuc 7746	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑦 ∈ On → suc 𝑦 ∈ On)
54	52, 53	jccir 522	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On))
55		id 22	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
56	55	3expa 1118	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On) ∧ 𝐴 ∈ On) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
57	56	ancoms 459	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝐴 ∈ On ∧ (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On)) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
58	54, 57	sylan2 593	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝐴 ∈ On ∧ (Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵)) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
59	58	anassrs 468	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
60		oewordi 8538	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ⊆ suc 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
61	59, 60	sylan 580	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ⊆ suc 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
62	61	an32s 650	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝑦 ⊆ suc 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
63	50, 62	mpi 20	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦))
64	63	ex 413	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ∈ 𝐵 → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
65	49, 64	jcad 513	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ∈ 𝐵 → (suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o) ∧ (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦))))
66		oveq2 7365	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑥 = suc 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑥) = (𝐴 ↑o suc 𝑦))
67	66	sseq2d 3976	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 = suc 𝑦 → ((𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥) ↔ (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
68	67	rspcev 3581	. . . . . . . 8 ⊢ ((suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o) ∧ (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)) → ∃𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥))
69	65, 68	syl6 35	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ∈ 𝐵 → ∃𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥)))
70	69	ralrimiv 3142	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∀𝑦 ∈ 𝐵 ∃𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥))
71		iunss2 5009	. . . . . 6 ⊢ (∀𝑦 ∈ 𝐵 ∃𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥) → ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
72	70, 71	syl 17	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
73		difss 4091	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐵 ∖ 1o) ⊆ 𝐵
74		iunss1 4968	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐵 ∖ 1o) ⊆ 𝐵 → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ⊆ ∪ 𝑥 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑥))
75	73, 74	ax-mp 5	. . . . . . 7 ⊢ ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ⊆ ∪ 𝑥 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑥)
76		oveq2 7365	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑥 = 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑥) = (𝐴 ↑o 𝑦))
77	76	cbviunv 5000	. . . . . . 7 ⊢ ∪ 𝑥 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑥) = ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦)
78	75, 77	sseqtri 3980	. . . . . 6 ⊢ ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ⊆ ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦)
79	78	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ⊆ ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦))
80	72, 79	eqssd 3961	. . . 4 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
81	80	adantlrl 718	. . 3 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
82	42, 81	eqtrd 2776	. 2 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
83	41, 82	oe0lem 8459	1 ⊢ ((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 396   ∧ w3a 1087   = wceq 1541   ∈ wcel 2106   ≠ wne 2943  ∀wral 3064  ∃wrex 3073   ∖ cdif 3907   ⊆ wss 3910  ∅c0 4282  ∪ ciun 4954  Ord word 6316  Oncon0 6317  Lim wlim 6318  suc csuc 6319  (class class class)co 7357  1_oc1o 8405   ↑_o coe 8411

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2707  ax-rep 5242  ax-sep 5256  ax-nul 5263  ax-pr 5384  ax-un 7672

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2538  df-eu 2567  df-clab 2714  df-cleq 2728  df-clel 2814  df-nfc 2889  df-ne 2944  df-ral 3065  df-rex 3074  df-reu 3354  df-rab 3408  df-v 3447  df-sbc 3740  df-csb 3856  df-dif 3913  df-un 3915  df-in 3917  df-ss 3927  df-pss 3929  df-nul 4283  df-if 4487  df-pw 4562  df-sn 4587  df-pr 4589  df-op 4593  df-uni 4866  df-iun 4956  df-br 5106  df-opab 5168  df-mpt 5189  df-tr 5223  df-id 5531  df-eprel 5537  df-po 5545  df-so 5546  df-fr 5588  df-we 5590  df-xp 5639  df-rel 5640  df-cnv 5641  df-co 5642  df-dm 5643  df-rn 5644  df-res 5645  df-ima 5646  df-pred 6253  df-ord 6320  df-on 6321  df-lim 6322  df-suc 6323  df-iota 6448  df-fun 6498  df-fn 6499  df-f 6500  df-f1 6501  df-fo 6502  df-f1o 6503  df-fv 6504  df-ov 7360  df-oprab 7361  df-mpo 7362  df-om 7803  df-2nd 7922  df-frecs 8212  df-wrecs 8243  df-recs 8317  df-rdg 8356  df-1o 8412  df-2o 8413  df-oadd 8416  df-omul 8417  df-oexp 8418

This theorem is referenced by:  oelimcl  8547  oaabs2  8595  omabs  8597