Theorem php 9191

Description: Pigeonhole Principle. A natural number is not equinumerous to a proper subset of itself. Theorem (Pigeonhole Principle) of [Enderton] p. 134. The theorem is so-called because you can't put n + 1 pigeons into n holes (if each hole holds only one pigeon). The proof consists of phplem1 9188, phplem2 9189, nneneq 9190, and this final piece of the proof. (Contributed by NM, 29-May-1998.) Avoid ax-pow 5337. (Revised by BTernaryTau, 18-Nov-2024.)

Assertion

Ref	Expression
php	⊢ ((𝐴 ∈ ω ∧ 𝐵 ⊊ 𝐴) → ¬ 𝐴 ≈ 𝐵)

Proof of Theorem php

Dummy variables 𝑥 𝑦 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		0ss 4364	. . . . . 6 ⊢ ∅ ⊆ 𝐵
2		sspsstr 4071	. . . . . 6 ⊢ ((∅ ⊆ 𝐵 ∧ 𝐵 ⊊ 𝐴) → ∅ ⊊ 𝐴)
3	1, 2	mpan 702	. . . . 5 ⊢ (𝐵 ⊊ 𝐴 → ∅ ⊊ 𝐴)
4		0pss 4373	. . . . . 6 ⊢ (∅ ⊊ 𝐴 ↔ 𝐴 ≠ ∅)
5		df-ne 2965	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ≠ ∅ ↔ ¬ 𝐴 = ∅)
6	4, 5	bitri 278	. . . . 5 ⊢ (∅ ⊊ 𝐴 ↔ ¬ 𝐴 = ∅)
7	3, 6	sylib 221	. . . 4 ⊢ (𝐵 ⊊ 𝐴 → ¬ 𝐴 = ∅)
8		nn0suc 7891	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ω → (𝐴 = ∅ ∨ ∃𝑥 ∈ ω 𝐴 = suc 𝑥))
9	8	orcanai 1018	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ ω ∧ ¬ 𝐴 = ∅) → ∃𝑥 ∈ ω 𝐴 = suc 𝑥)
10	7, 9	sylan2 604	. . 3 ⊢ ((𝐴 ∈ ω ∧ 𝐵 ⊊ 𝐴) → ∃𝑥 ∈ ω 𝐴 = suc 𝑥)
11		pssnel 4437	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → ∃𝑦(𝑦 ∈ suc 𝑥 ∧ ¬ 𝑦 ∈ 𝐵))
12		pssss 4060	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → 𝐵 ⊆ suc 𝑥)
13		ssdif 4106	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝐵 ⊆ suc 𝑥 → (𝐵 ∖ {𝑦}) ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}))
14		disjsn 4682	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ ((𝐵 ∩ {𝑦}) = ∅ ↔ ¬ 𝑦 ∈ 𝐵)
15		disj3 4420	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ ((𝐵 ∩ {𝑦}) = ∅ ↔ 𝐵 = (𝐵 ∖ {𝑦}))
16	14, 15	bitr3i 280	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (¬ 𝑦 ∈ 𝐵 ↔ 𝐵 = (𝐵 ∖ {𝑦}))
17		sseq1 3970	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝐵 = (𝐵 ∖ {𝑦}) → (𝐵 ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ↔ (𝐵 ∖ {𝑦}) ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦})))
18	16, 17	sylbi 220	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (¬ 𝑦 ∈ 𝐵 → (𝐵 ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ↔ (𝐵 ∖ {𝑦}) ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦})))
19	13, 18	imbitrrid 249	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (¬ 𝑦 ∈ 𝐵 → (𝐵 ⊆ suc 𝑥 → 𝐵 ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦})))
20	12, 19	syl5 35	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (¬ 𝑦 ∈ 𝐵 → (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → 𝐵 ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦})))
21		peano2 7886	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑥 ∈ ω → suc 𝑥 ∈ ω)
22		nnfi 9152	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (suc 𝑥 ∈ ω → suc 𝑥 ∈ Fin)
23		diffi 9159	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (suc 𝑥 ∈ Fin → (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ∈ Fin)
24		ssdomfi 9180	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ∈ Fin → (𝐵 ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) → 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦})))
25	21, 22, 23, 24	4syl 20	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑥 ∈ ω → (𝐵 ⊆ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) → 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦})))
26	20, 25	sylan9 516	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((¬ 𝑦 ∈ 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ ω) → (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦})))
27	26	3impia 1133	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((¬ 𝑦 ∈ 𝐵 ∧ 𝑥 ∈ ω ∧ 𝐵 ⊊ suc 𝑥) → 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}))
28	27	3com23 1142	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((¬ 𝑦 ∈ 𝐵 ∧ 𝐵 ⊊ suc 𝑥 ∧ 𝑥 ∈ ω) → 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}))
29	28	3expa 1134	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((¬ 𝑦 ∈ 𝐵 ∧ 𝐵 ⊊ suc 𝑥) ∧ 𝑥 ∈ ω) → 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}))
30	29	adantrr 729	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((¬ 𝑦 ∈ 𝐵 ∧ 𝐵 ⊊ suc 𝑥) ∧ (𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥)) → 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}))
31		nnfi 9152	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝑥 ∈ ω → 𝑥 ∈ Fin)
32	31	ad2antrl 740	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ∧ (𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥)) → 𝑥 ∈ Fin)
33		simpl 487	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ∧ (𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥)) → 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}))
34		simpr 489	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ∧ (𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥)) → (𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥))
35		phplem1 9188	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥) → 𝑥 ≈ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}))
36		ensymfib 9168	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑥 ∈ Fin → (𝑥 ≈ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ↔ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ≈ 𝑥))
37	31, 36	syl 18	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑥 ∈ ω → (𝑥 ≈ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ↔ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ≈ 𝑥))
38	37	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥) → (𝑥 ≈ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ↔ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ≈ 𝑥))
39	35, 38	mpbid 235	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥) → (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ≈ 𝑥)
40		endom 8976	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ≈ 𝑥 → (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ≼ 𝑥)
41	39, 40	syl 18	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥) → (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ≼ 𝑥)
42		domtrfir 9178	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑥 ∈ Fin ∧ 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ∧ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ≼ 𝑥) → 𝐵 ≼ 𝑥)
43	41, 42	syl3an3 1181	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑥 ∈ Fin ∧ 𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ∧ (𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥)) → 𝐵 ≼ 𝑥)
44	32, 33, 34, 43	syl3anc 1396	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝐵 ≼ (suc 𝑥 ∖ {𝑦}) ∧ (𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥)) → 𝐵 ≼ 𝑥)
45	30, 44	sylancom 599	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((¬ 𝑦 ∈ 𝐵 ∧ 𝐵 ⊊ suc 𝑥) ∧ (𝑥 ∈ ω ∧ 𝑦 ∈ suc 𝑥)) → 𝐵 ≼ 𝑥)
46	45	exp43 441	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (¬ 𝑦 ∈ 𝐵 → (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → (𝑥 ∈ ω → (𝑦 ∈ suc 𝑥 → 𝐵 ≼ 𝑥))))
47	46	com4r 95	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑦 ∈ suc 𝑥 → (¬ 𝑦 ∈ 𝐵 → (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → (𝑥 ∈ ω → 𝐵 ≼ 𝑥))))
48	47	imp 411	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑦 ∈ suc 𝑥 ∧ ¬ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → (𝑥 ∈ ω → 𝐵 ≼ 𝑥)))
49	48	exlimiv 1957	. . . . . . . 8 ⊢ (∃𝑦(𝑦 ∈ suc 𝑥 ∧ ¬ 𝑦 ∈ 𝐵) → (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → (𝑥 ∈ ω → 𝐵 ≼ 𝑥)))
50	11, 49	mpcom 39	. . . . . . 7 ⊢ (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → (𝑥 ∈ ω → 𝐵 ≼ 𝑥))
51		simp1 1152	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ suc 𝑥 ≈ 𝐵 ∧ 𝐵 ≼ 𝑥) → 𝑥 ∈ ω)
52		endom 8976	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (suc 𝑥 ≈ 𝐵 → suc 𝑥 ≼ 𝐵)
53		domtrfir 9178	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑥 ∈ Fin ∧ suc 𝑥 ≼ 𝐵 ∧ 𝐵 ≼ 𝑥) → suc 𝑥 ≼ 𝑥)
54	52, 53	syl3an2 1180	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑥 ∈ Fin ∧ suc 𝑥 ≈ 𝐵 ∧ 𝐵 ≼ 𝑥) → suc 𝑥 ≼ 𝑥)
55	31, 54	syl3an1 1179	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ suc 𝑥 ≈ 𝐵 ∧ 𝐵 ≼ 𝑥) → suc 𝑥 ≼ 𝑥)
56		sssucid 6444	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ 𝑥 ⊆ suc 𝑥
57		ssdomfi 9180	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (suc 𝑥 ∈ Fin → (𝑥 ⊆ suc 𝑥 → 𝑥 ≼ suc 𝑥))
58	22, 56, 57	mpisyl 22	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (suc 𝑥 ∈ ω → 𝑥 ≼ suc 𝑥)
59	21, 58	syl 18	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝑥 ∈ ω → 𝑥 ≼ suc 𝑥)
60	59	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ suc 𝑥 ≼ 𝑥) → 𝑥 ≼ suc 𝑥)
61		sbthfi 9183	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑥 ∈ Fin ∧ suc 𝑥 ≼ 𝑥 ∧ 𝑥 ≼ suc 𝑥) → suc 𝑥 ≈ 𝑥)
62	31, 61	syl3an1 1179	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ suc 𝑥 ≼ 𝑥 ∧ 𝑥 ≼ suc 𝑥) → suc 𝑥 ≈ 𝑥)
63	60, 62	mpd3an3 1488	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ suc 𝑥 ≼ 𝑥) → suc 𝑥 ≈ 𝑥)
64	51, 55, 63	syl2anc 595	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ suc 𝑥 ≈ 𝐵 ∧ 𝐵 ≼ 𝑥) → suc 𝑥 ≈ 𝑥)
65	64	3com23 1142	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ 𝐵 ≼ 𝑥 ∧ suc 𝑥 ≈ 𝐵) → suc 𝑥 ≈ 𝑥)
66	65	3expia 1137	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ 𝐵 ≼ 𝑥) → (suc 𝑥 ≈ 𝐵 → suc 𝑥 ≈ 𝑥))
67		peano2b 7879	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑥 ∈ ω ↔ suc 𝑥 ∈ ω)
68		nnord 7870	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (suc 𝑥 ∈ ω → Ord suc 𝑥)
69	67, 68	sylbi 220	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑥 ∈ ω → Ord suc 𝑥)
70		vex 3467	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 𝑥 ∈ V
71	70	sucid 6446	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 𝑥 ∈ suc 𝑥
72		nordeq 6380	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((Ord suc 𝑥 ∧ 𝑥 ∈ suc 𝑥) → suc 𝑥 ≠ 𝑥)
73	69, 71, 72	sylancl 597	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑥 ∈ ω → suc 𝑥 ≠ 𝑥)
74		nneneq 9190	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((suc 𝑥 ∈ ω ∧ 𝑥 ∈ ω) → (suc 𝑥 ≈ 𝑥 ↔ suc 𝑥 = 𝑥))
75	67, 74	sylanb 592	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ 𝑥 ∈ ω) → (suc 𝑥 ≈ 𝑥 ↔ suc 𝑥 = 𝑥))
76	75	anidms 576	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑥 ∈ ω → (suc 𝑥 ≈ 𝑥 ↔ suc 𝑥 = 𝑥))
77	76	necon3bbid 3001	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑥 ∈ ω → (¬ suc 𝑥 ≈ 𝑥 ↔ suc 𝑥 ≠ 𝑥))
78	73, 77	mpbird 260	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑥 ∈ ω → ¬ suc 𝑥 ≈ 𝑥)
79	66, 78	nsyli 158	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑥 ∈ ω ∧ 𝐵 ≼ 𝑥) → (𝑥 ∈ ω → ¬ suc 𝑥 ≈ 𝐵))
80	79	expcom 418	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐵 ≼ 𝑥 → (𝑥 ∈ ω → (𝑥 ∈ ω → ¬ suc 𝑥 ≈ 𝐵)))
81	80	pm2.43d 54	. . . . . . 7 ⊢ (𝐵 ≼ 𝑥 → (𝑥 ∈ ω → ¬ suc 𝑥 ≈ 𝐵))
82	50, 81	syli 40	. . . . . 6 ⊢ (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → (𝑥 ∈ ω → ¬ suc 𝑥 ≈ 𝐵))
83	82	com12 33	. . . . 5 ⊢ (𝑥 ∈ ω → (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → ¬ suc 𝑥 ≈ 𝐵))
84		psseq2 4053	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 = suc 𝑥 → (𝐵 ⊊ 𝐴 ↔ 𝐵 ⊊ suc 𝑥))
85		breq1 5116	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 = suc 𝑥 → (𝐴 ≈ 𝐵 ↔ suc 𝑥 ≈ 𝐵))
86	85	notbid 321	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 = suc 𝑥 → (¬ 𝐴 ≈ 𝐵 ↔ ¬ suc 𝑥 ≈ 𝐵))
87	84, 86	imbi12d 347	. . . . 5 ⊢ (𝐴 = suc 𝑥 → ((𝐵 ⊊ 𝐴 → ¬ 𝐴 ≈ 𝐵) ↔ (𝐵 ⊊ suc 𝑥 → ¬ suc 𝑥 ≈ 𝐵)))
88	83, 87	syl5ibrcom 250	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ω → (𝐴 = suc 𝑥 → (𝐵 ⊊ 𝐴 → ¬ 𝐴 ≈ 𝐵)))
89	88	rexlimiv 3165	. . 3 ⊢ (∃𝑥 ∈ ω 𝐴 = suc 𝑥 → (𝐵 ⊊ 𝐴 → ¬ 𝐴 ≈ 𝐵))
90	10, 89	syl 18	. 2 ⊢ ((𝐴 ∈ ω ∧ 𝐵 ⊊ 𝐴) → (𝐵 ⊊ 𝐴 → ¬ 𝐴 ≈ 𝐵))
91	90	syldbl2 854	1 ⊢ ((𝐴 ∈ ω ∧ 𝐵 ⊊ 𝐴) → ¬ 𝐴 ≈ 𝐵)

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 400   ∧ w3a 1101   = wceq 1567  ∃wex 1806   ∈ wcel 2149   ≠ wne 2964  ∃wrex 3095   ∖ cdif 3910   ∩ cin 3912   ⊆ wss 3913   ⊊ wpss 3914  ∅c0 4294  {csn 4594   class class class wbr 5113  Ord word 6360  suc csuc 6363  ωcom 7862   ≈ cen 8940   ≼ cdom 8941  Fincfn 8943

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1822  ax-4 1836  ax-5 1937  ax-6 1994  ax-7 2035  ax-8 2151  ax-9 2159  ax-10 2182  ax-11 2198  ax-12 2219  ax-ext 2741  ax-sep 5261  ax-nul 5271  ax-pr 5405  ax-un 7733

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1570  df-fal 1580  df-ex 1807  df-nf 1811  df-sb 2098  df-mo 2573  df-eu 2603  df-clab 2748  df-cleq 2761  df-clel 2844  df-nfc 2918  df-ne 2965  df-ral 3086  df-rex 3096  df-reu 3377  df-rab 3424  df-v 3465  df-sbc 3754  df-csb 3862  df-dif 3916  df-un 3918  df-in 3920  df-ss 3930  df-pss 3933  df-nul 4295  df-if 4493  df-pw 4569  df-sn 4595  df-pr 4597  df-op 4601  df-uni 4877  df-br 5114  df-opab 5178  df-mpt 5197  df-tr 5223  df-id 5557  df-eprel 5562  df-po 5570  df-so 5571  df-fr 5615  df-we 5617  df-xp 5668  df-rel 5669  df-cnv 5670  df-co 5671  df-dm 5672  df-rn 5673  df-res 5674  df-ima 5675  df-ord 6364  df-on 6365  df-lim 6366  df-suc 6367  df-iota 6493  df-fun 6539  df-fn 6540  df-f 6541  df-f1 6542  df-fo 6543  df-f1o 6544  df-fv 6545  df-om 7863  df-1o 8453  df-en 8944  df-dom 8945  df-fin 8947

This theorem is referenced by:  php2  9192  omssrncard  44192  rr-phpd  44859