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

Theorem vdwnn 16960
Description: Van der Waerden's theorem, infinitary version. For any finite coloring 𝐹 of the positive integers, there is a color 𝑐 that contains arbitrarily long arithmetic progressions. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Sep-2014.)
Assertion
Ref Expression
vdwnn ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) → ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}))
Distinct variable groups:   𝑎,𝑐,𝑑,𝑘,𝑚,𝐹   𝑅,𝑐
Allowed substitution hints:   𝑅(𝑘,𝑚,𝑎,𝑑)

Proof of Theorem vdwnn
Dummy variables 𝑢 𝑤 𝑥 𝑦 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 simpll 772 . . 3 (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐})) → 𝑅 ∈ Fin)
2 simplr 774 . . 3 (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐})) → 𝐹:ℕ⟶𝑅)
3 oveq1 7363 . . . . . . . . . . 11 (𝑚 = 𝑤 → (𝑚 · 𝑑) = (𝑤 · 𝑑))
43oveq2d 7372 . . . . . . . . . 10 (𝑚 = 𝑤 → (𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) = (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)))
54eleq1d 2824 . . . . . . . . 9 (𝑚 = 𝑤 → ((𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
65cbvralvw 3217 . . . . . . . 8 (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
7 oveq1 7363 . . . . . . . . . 10 (𝑎 = 𝑦 → (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) = (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)))
87eleq1d 2824 . . . . . . . . 9 (𝑎 = 𝑦 → ((𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
98ralbidv 3162 . . . . . . . 8 (𝑎 = 𝑦 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
106, 9bitrid 284 . . . . . . 7 (𝑎 = 𝑦 → (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
11 oveq2 7364 . . . . . . . . . 10 (𝑑 = 𝑧 → (𝑤 · 𝑑) = (𝑤 · 𝑧))
1211oveq2d 7372 . . . . . . . . 9 (𝑑 = 𝑧 → (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) = (𝑦 + (𝑤 · 𝑧)))
1312eleq1d 2824 . . . . . . . 8 (𝑑 = 𝑧 → ((𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
1413ralbidv 3162 . . . . . . 7 (𝑑 = 𝑧 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
1510, 14cbvrex2vw 3222 . . . . . 6 (∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∃𝑦 ∈ ℕ ∃𝑧 ∈ ℕ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
16 oveq1 7363 . . . . . . . . 9 (𝑘 = 𝑥 → (𝑘 − 1) = (𝑥 − 1))
1716oveq2d 7372 . . . . . . . 8 (𝑘 = 𝑥 → (0...(𝑘 − 1)) = (0...(𝑥 − 1)))
1817raleqdv 3297 . . . . . . 7 (𝑘 = 𝑥 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑥 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
19182rexbidv 3204 . . . . . 6 (𝑘 = 𝑥 → (∃𝑦 ∈ ℕ ∃𝑧 ∈ ℕ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∃𝑦 ∈ ℕ ∃𝑧 ∈ ℕ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑥 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
2015, 19bitrid 284 . . . . 5 (𝑘 = 𝑥 → (∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∃𝑦 ∈ ℕ ∃𝑧 ∈ ℕ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑥 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
2120notbid 319 . . . 4 (𝑘 = 𝑥 → (¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ¬ ∃𝑦 ∈ ℕ ∃𝑧 ∈ ℕ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑥 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
2221cbvrabv 3401 . . 3 {𝑘 ∈ ℕ ∣ ¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})} = {𝑥 ∈ ℕ ∣ ¬ ∃𝑦 ∈ ℕ ∃𝑧 ∈ ℕ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑥 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})}
23 simpr 485 . . . . 5 (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐})) → ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}))
24 sneq 4565 . . . . . . . . . . 11 (𝑐 = 𝑢 → {𝑐} = {𝑢})
2524imaeq2d 6012 . . . . . . . . . 10 (𝑐 = 𝑢 → (𝐹 “ {𝑐}) = (𝐹 “ {𝑢}))
2625eleq2d 2825 . . . . . . . . 9 (𝑐 = 𝑢 → ((𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ (𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
2726ralbidv 3162 . . . . . . . 8 (𝑐 = 𝑢 → (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
28272rexbidv 3204 . . . . . . 7 (𝑐 = 𝑢 → (∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
2928ralbidv 3162 . . . . . 6 (𝑐 = 𝑢 → (∀𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ ∀𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
3029cbvrexvw 3218 . . . . 5 (∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ ∃𝑢𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
3123, 30sylnib 329 . . . 4 (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐})) → ¬ ∃𝑢𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
32 rabn0 4317 . . . . . . 7 ({𝑘 ∈ ℕ ∣ ¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})} ≠ ∅ ↔ ∃𝑘 ∈ ℕ ¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
33 rexnal 3091 . . . . . . 7 (∃𝑘 ∈ ℕ ¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ¬ ∀𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
3432, 33bitri 276 . . . . . 6 ({𝑘 ∈ ℕ ∣ ¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})} ≠ ∅ ↔ ¬ ∀𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
3534ralbii 3085 . . . . 5 (∀𝑢𝑅 {𝑘 ∈ ℕ ∣ ¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})} ≠ ∅ ↔ ∀𝑢𝑅 ¬ ∀𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
36 ralnex 3065 . . . . 5 (∀𝑢𝑅 ¬ ∀𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ¬ ∃𝑢𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
3735, 36bitri 276 . . . 4 (∀𝑢𝑅 {𝑘 ∈ ℕ ∣ ¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})} ≠ ∅ ↔ ¬ ∃𝑢𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
3831, 37sylibr 235 . . 3 (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐})) → ∀𝑢𝑅 {𝑘 ∈ ℕ ∣ ¬ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})} ≠ ∅)
391, 2, 22, 38vdwnnlem3 16959 . 2 ¬ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}))
40 iman 402 . 2 (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) → ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐})) ↔ ¬ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐})))
4139, 40mpbir 232 1 ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) → ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  ¬ wn 3  wi 4  wa 396  wcel 2119  wne 2934  wral 3053  wrex 3063  {crab 3391  c0 4261  {csn 4555  ccnv 5617  cima 5621  wf 6481  (class class class)co 7356  Fincfn 8883  0cc0 11029  1c1 11030   + caddc 11032   · cmul 11034  cmin 11368  cn 12165  ...cfz 13452
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1802  ax-4 1816  ax-5 1917  ax-6 1974  ax-7 2015  ax-8 2121  ax-9 2129  ax-10 2152  ax-11 2168  ax-12 2189  ax-ext 2711  ax-rep 5199  ax-sep 5218  ax-nul 5228  ax-pow 5294  ax-pr 5362  ax-un 7678  ax-cnex 11085  ax-resscn 11086  ax-1cn 11087  ax-icn 11088  ax-addcl 11089  ax-addrcl 11090  ax-mulcl 11091  ax-mulrcl 11092  ax-mulcom 11093  ax-addass 11094  ax-mulass 11095  ax-distr 11096  ax-i2m1 11097  ax-1ne0 11098  ax-1rid 11099  ax-rnegex 11100  ax-rrecex 11101  ax-cnre 11102  ax-pre-lttri 11103  ax-pre-lttrn 11104  ax-pre-ltadd 11105  ax-pre-mulgt0 11106  ax-pre-sup 11107
This theorem depends on definitions:  df-bi 208  df-an 397  df-or 854  df-3or 1093  df-3an 1094  df-tru 1550  df-fal 1560  df-ex 1787  df-nf 1791  df-sb 2074  df-mo 2543  df-eu 2573  df-clab 2718  df-cleq 2731  df-clel 2814  df-nfc 2888  df-ne 2935  df-nel 3039  df-ral 3054  df-rex 3064  df-rmo 3344  df-reu 3345  df-rab 3392  df-v 3433  df-sbc 3724  df-csb 3832  df-dif 3886  df-un 3888  df-in 3890  df-ss 3900  df-pss 3903  df-nul 4262  df-if 4455  df-pw 4531  df-sn 4556  df-pr 4558  df-op 4562  df-uni 4839  df-int 4878  df-iun 4923  df-br 5073  df-opab 5135  df-mpt 5154  df-tr 5180  df-id 5513  df-eprel 5518  df-po 5526  df-so 5527  df-fr 5571  df-we 5573  df-xp 5624  df-rel 5625  df-cnv 5626  df-co 5627  df-dm 5628  df-rn 5629  df-res 5630  df-ima 5631  df-pred 6252  df-ord 6313  df-on 6314  df-lim 6315  df-suc 6316  df-iota 6441  df-fun 6487  df-fn 6488  df-f 6489  df-f1 6490  df-fo 6491  df-f1o 6492  df-fv 6493  df-riota 7313  df-ov 7359  df-oprab 7360  df-mpo 7361  df-om 7807  df-1st 7931  df-2nd 7932  df-frecs 8221  df-wrecs 8252  df-recs 8301  df-rdg 8339  df-1o 8395  df-oadd 8399  df-er 8633  df-map 8765  df-pm 8766  df-en 8884  df-dom 8885  df-sdom 8886  df-fin 8887  df-sup 9345  df-inf 9346  df-dju 9816  df-card 9854  df-pnf 11172  df-mnf 11173  df-xr 11174  df-ltxr 11175  df-le 11176  df-sub 11370  df-neg 11371  df-nn 12166  df-2 12235  df-n0 12429  df-xnn0 12502  df-z 12516  df-uz 12780  df-rp 12934  df-fz 13453  df-fl 13742  df-hash 14284  df-vdwap 16930  df-vdwmc 16931  df-vdwpc 16932
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator