Theorem oelim2 7947

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 6030	. . . . . 6 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → 𝐵 ∈ On)
2		0ellim 6029	. . . . . . 7 ⊢ (Lim 𝐵 → ∅ ∈ 𝐵)
3	2	adantl 475	. . . . . 6 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → ∅ ∈ 𝐵)
4		oe0m1 7873	. . . . . . 7 ⊢ (𝐵 ∈ On → (∅ ∈ 𝐵 ↔ (∅ ↑o 𝐵) = ∅))
5	4	biimpa 470	. . . . . 6 ⊢ ((𝐵 ∈ On ∧ ∅ ∈ 𝐵) → (∅ ↑o 𝐵) = ∅)
6	1, 3, 5	syl2anc 579	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → (∅ ↑o 𝐵) = ∅)
7		eldif 3808	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o) ↔ (𝑥 ∈ 𝐵 ∧ ¬ 𝑥 ∈ 1o))
8		limord 6026	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (Lim 𝐵 → Ord 𝐵)
9		ordelon 5991	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((Ord 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ 𝐵) → 𝑥 ∈ On)
10	8, 9	sylan 575	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ 𝐵) → 𝑥 ∈ On)
11		on0eln0 6022	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑥 ∈ On → (∅ ∈ 𝑥 ↔ 𝑥 ≠ ∅))
12		el1o 7851	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑥 ∈ 1o ↔ 𝑥 = ∅)
13	12	necon3bbii 3046	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (¬ 𝑥 ∈ 1o ↔ 𝑥 ≠ ∅)
14	11, 13	syl6bbr 281	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑥 ∈ On → (∅ ∈ 𝑥 ↔ ¬ 𝑥 ∈ 1o))
15		oe0m1 7873	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑥 ∈ On → (∅ ∈ 𝑥 ↔ (∅ ↑o 𝑥) = ∅))
16	15	biimpd 221	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑥 ∈ On → (∅ ∈ 𝑥 → (∅ ↑o 𝑥) = ∅))
17	14, 16	sylbird 252	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑥 ∈ On → (¬ 𝑥 ∈ 1o → (∅ ↑o 𝑥) = ∅))
18	10, 17	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ 𝐵) → (¬ 𝑥 ∈ 1o → (∅ ↑o 𝑥) = ∅))
19	18	impr 448	. . . . . . . . 9 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ (𝑥 ∈ 𝐵 ∧ ¬ 𝑥 ∈ 1o)) → (∅ ↑o 𝑥) = ∅)
20	7, 19	sylan2b 587	. . . . . . . 8 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)) → (∅ ↑o 𝑥) = ∅)
21	20	iuneq2dv 4764	. . . . . . 7 ⊢ (Lim 𝐵 → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)∅)
22		df-1o 7831	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 1o = suc ∅
23		limsuc 7315	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (Lim 𝐵 → (∅ ∈ 𝐵 ↔ suc ∅ ∈ 𝐵))
24	2, 23	mpbid 224	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (Lim 𝐵 → suc ∅ ∈ 𝐵)
25	22, 24	syl5eqel 2910	. . . . . . . . . 10 ⊢ (Lim 𝐵 → 1o ∈ 𝐵)
26		1on 7838	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 1o ∈ On
27	26	onirri 6073	. . . . . . . . . 10 ⊢ ¬ 1o ∈ 1o
28	25, 27	jctir 516	. . . . . . . . 9 ⊢ (Lim 𝐵 → (1o ∈ 𝐵 ∧ ¬ 1o ∈ 1o))
29		eldif 3808	. . . . . . . . 9 ⊢ (1o ∈ (𝐵 ∖ 1o) ↔ (1o ∈ 𝐵 ∧ ¬ 1o ∈ 1o))
30	28, 29	sylibr 226	. . . . . . . 8 ⊢ (Lim 𝐵 → 1o ∈ (𝐵 ∖ 1o))
31		ne0i 4152	. . . . . . . 8 ⊢ (1o ∈ (𝐵 ∖ 1o) → (𝐵 ∖ 1o) ≠ ∅)
32		iunconst 4751	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐵 ∖ 1o) ≠ ∅ → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)∅ = ∅)
33	30, 31, 32	3syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (Lim 𝐵 → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)∅ = ∅)
34	21, 33	eqtrd 2861	. . . . . 6 ⊢ (Lim 𝐵 → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥) = ∅)
35	34	adantl 475	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥) = ∅)
36	6, 35	eqtr4d 2864	. . . 4 ⊢ ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → (∅ ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥))
37		oveq1 6917	. . . . 5 ⊢ (𝐴 = ∅ → (𝐴 ↑o 𝐵) = (∅ ↑o 𝐵))
38		oveq1 6917	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 = ∅ → (𝐴 ↑o 𝑥) = (∅ ↑o 𝑥))
39	38	iuneq2d 4769	. . . . 5 ⊢ (𝐴 = ∅ → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥))
40	37, 39	eqeq12d 2840	. . . 4 ⊢ (𝐴 = ∅ → ((𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ↔ (∅ ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(∅ ↑o 𝑥)))
41	36, 40	syl5ibr 238	. . 3 ⊢ (𝐴 = ∅ → ((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥)))
42	41	impcom 398	. 2 ⊢ (((𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵) ∧ 𝐴 = ∅) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
43		oelim 7886	. . 3 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦))
44		limsuc 7315	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (Lim 𝐵 → (𝑦 ∈ 𝐵 ↔ suc 𝑦 ∈ 𝐵))
45	44	biimpa 470	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → suc 𝑦 ∈ 𝐵)
46		nsuceq0 6047	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ suc 𝑦 ≠ ∅
47	46	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → suc 𝑦 ≠ ∅)
48		dif1o 7852	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o) ↔ (suc 𝑦 ∈ 𝐵 ∧ suc 𝑦 ≠ ∅))
49	45, 47, 48	sylanbrc 578	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o))
50	49	ex 403	. . . . . . . . . 10 ⊢ (Lim 𝐵 → (𝑦 ∈ 𝐵 → suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o)))
51	50	ad2antlr 718	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ∈ 𝐵 → suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o)))
52		sssucid 6044	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 𝑦 ⊆ suc 𝑦
53		ordelon 5991	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((Ord 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → 𝑦 ∈ On)
54	8, 53	sylan 575	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → 𝑦 ∈ On)
55		suceloni 7279	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑦 ∈ On → suc 𝑦 ∈ On)
56	54, 55	jccir 517	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On))
57		id 22	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
58	57	3expa 1151	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On) ∧ 𝐴 ∈ On) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
59	58	ancoms 452	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝐴 ∈ On ∧ (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On)) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
60	56, 59	sylan2 586	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝐴 ∈ On ∧ (Lim 𝐵 ∧ 𝑦 ∈ 𝐵)) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
61	60	anassrs 461	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On))
62		oewordi 7943	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑦 ∈ On ∧ suc 𝑦 ∈ On ∧ 𝐴 ∈ On) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ⊆ suc 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
63	61, 62	sylan 575	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ⊆ suc 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
64	63	an32s 642	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝑦 ⊆ suc 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
65	52, 64	mpi 20	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) ∧ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦))
66	65	ex 403	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ∈ 𝐵 → (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
67	51, 66	jcad 508	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ∈ 𝐵 → (suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o) ∧ (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦))))
68		oveq2 6918	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑥 = suc 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑥) = (𝐴 ↑o suc 𝑦))
69	68	sseq2d 3858	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 = suc 𝑦 → ((𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥) ↔ (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)))
70	69	rspcev 3526	. . . . . . . 8 ⊢ ((suc 𝑦 ∈ (𝐵 ∖ 1o) ∧ (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o suc 𝑦)) → ∃𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥))
71	67, 70	syl6 35	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝑦 ∈ 𝐵 → ∃𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥)))
72	71	ralrimiv 3174	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∀𝑦 ∈ 𝐵 ∃𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥))
73		iunss2 4787	. . . . . 6 ⊢ (∀𝑦 ∈ 𝐵 ∃𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ (𝐴 ↑o 𝑥) → ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
74	72, 73	syl 17	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦) ⊆ ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
75		difss 3966	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐵 ∖ 1o) ⊆ 𝐵
76		iunss1 4754	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐵 ∖ 1o) ⊆ 𝐵 → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ⊆ ∪ 𝑥 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑥))
77	75, 76	ax-mp 5	. . . . . . 7 ⊢ ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ⊆ ∪ 𝑥 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑥)
78		oveq2 6918	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑥 = 𝑦 → (𝐴 ↑o 𝑥) = (𝐴 ↑o 𝑦))
79	78	cbviunv 4781	. . . . . . 7 ⊢ ∪ 𝑥 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑥) = ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦)
80	77, 79	sseqtri 3862	. . . . . 6 ⊢ ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ⊆ ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦)
81	80	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥) ⊆ ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦))
82	74, 81	eqssd 3844	. . . 4 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ Lim 𝐵) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
83	82	adantlrl 711	. . 3 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → ∪ 𝑦 ∈ 𝐵 (𝐴 ↑o 𝑦) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
84	43, 83	eqtrd 2861	. 2 ⊢ (((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) ∧ ∅ ∈ 𝐴) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))
85	42, 84	oe0lem 7865	1 ⊢ ((𝐴 ∈ On ∧ (𝐵 ∈ 𝐶 ∧ Lim 𝐵)) → (𝐴 ↑o 𝐵) = ∪ 𝑥 ∈ (𝐵 ∖ 1o)(𝐴 ↑o 𝑥))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 386   ∧ w3a 1111   = wceq 1656   ∈ wcel 2164   ≠ wne 2999  ∀wral 3117  ∃wrex 3118   ∖ cdif 3795   ⊆ wss 3798  ∅c0 4146  ∪ ciun 4742  Ord word 5966  Oncon0 5967  Lim wlim 5968  suc csuc 5969  (class class class)co 6910  1_oc1o 7824   ↑_o coe 7830

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1894  ax-4 1908  ax-5 2009  ax-6 2075  ax-7 2112  ax-8 2166  ax-9 2173  ax-10 2192  ax-11 2207  ax-12 2220  ax-13 2389  ax-ext 2803  ax-rep 4996  ax-sep 5007  ax-nul 5015  ax-pow 5067  ax-pr 5129  ax-un 7214

This theorem depends on definitions:  df-bi 199  df-an 387  df-or 879  df-3or 1112  df-3an 1113  df-tru 1660  df-ex 1879  df-nf 1883  df-sb 2068  df-mo 2605  df-eu 2640  df-clab 2812  df-cleq 2818  df-clel 2821  df-nfc 2958  df-ne 3000  df-ral 3122  df-rex 3123  df-reu 3124  df-rab 3126  df-v 3416  df-sbc 3663  df-csb 3758  df-dif 3801  df-un 3803  df-in 3805  df-ss 3812  df-pss 3814  df-nul 4147  df-if 4309  df-pw 4382  df-sn 4400  df-pr 4402  df-tp 4404  df-op 4406  df-uni 4661  df-iun 4744  df-br 4876  df-opab 4938  df-mpt 4955  df-tr 4978  df-id 5252  df-eprel 5257  df-po 5265  df-so 5266  df-fr 5305  df-we 5307  df-xp 5352  df-rel 5353  df-cnv 5354  df-co 5355  df-dm 5356  df-rn 5357  df-res 5358  df-ima 5359  df-pred 5924  df-ord 5970  df-on 5971  df-lim 5972  df-suc 5973  df-iota 6090  df-fun 6129  df-fn 6130  df-f 6131  df-f1 6132  df-fo 6133  df-f1o 6134  df-fv 6135  df-ov 6913  df-oprab 6914  df-mpt2 6915  df-om 7332  df-wrecs 7677  df-recs 7739  df-rdg 7777  df-1o 7831  df-2o 7832  df-oadd 7835  df-omul 7836  df-oexp 7837

This theorem is referenced by:  oelimcl  7952  oaabs2  7997  omabs  7999