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

Theorem vdwnn 16938
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 767 . . 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 769 . . 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 7375 . . . . . . . . . . 11 (𝑚 = 𝑤 → (𝑚 · 𝑑) = (𝑤 · 𝑑))
43oveq2d 7384 . . . . . . . . . 10 (𝑚 = 𝑤 → (𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) = (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)))
54eleq1d 2822 . . . . . . . . 9 (𝑚 = 𝑤 → ((𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
65cbvralvw 3216 . . . . . . . 8 (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
7 oveq1 7375 . . . . . . . . . 10 (𝑎 = 𝑦 → (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) = (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)))
87eleq1d 2822 . . . . . . . . 9 (𝑎 = 𝑦 → ((𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
98ralbidv 3161 . . . . . . . 8 (𝑎 = 𝑦 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
106, 9bitrid 283 . . . . . . 7 (𝑎 = 𝑦 → (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
11 oveq2 7376 . . . . . . . . . 10 (𝑑 = 𝑧 → (𝑤 · 𝑑) = (𝑤 · 𝑧))
1211oveq2d 7384 . . . . . . . . 9 (𝑑 = 𝑧 → (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) = (𝑦 + (𝑤 · 𝑧)))
1312eleq1d 2822 . . . . . . . 8 (𝑑 = 𝑧 → ((𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
1413ralbidv 3161 . . . . . . 7 (𝑑 = 𝑧 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
1510, 14cbvrex2vw 3221 . . . . . 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 7375 . . . . . . . . 9 (𝑘 = 𝑥 → (𝑘 − 1) = (𝑥 − 1))
1716oveq2d 7384 . . . . . . . 8 (𝑘 = 𝑥 → (0...(𝑘 − 1)) = (0...(𝑥 − 1)))
1817raleqdv 3298 . . . . . . 7 (𝑘 = 𝑥 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑥 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
19182rexbidv 3203 . . . . . 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 283 . . . . 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 318 . . . 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 3411 . . 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 484 . . . . 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 4592 . . . . . . . . . . 11 (𝑐 = 𝑢 → {𝑐} = {𝑢})
2524imaeq2d 6027 . . . . . . . . . 10 (𝑐 = 𝑢 → (𝐹 “ {𝑐}) = (𝐹 “ {𝑢}))
2625eleq2d 2823 . . . . . . . . 9 (𝑐 = 𝑢 → ((𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ (𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
2726ralbidv 3161 . . . . . . . 8 (𝑐 = 𝑢 → (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
28272rexbidv 3203 . . . . . . 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 3161 . . . . . 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 3217 . . . . 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 328 . . . 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 4343 . . . . . . 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 3090 . . . . . . 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 275 . . . . . 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 3084 . . . . 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 3064 . . . . 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 275 . . . 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 234 . . 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 16937 . 2 ¬ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}))
40 iman 401 . 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 231 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 395  wcel 2114  wne 2933  wral 3052  wrex 3062  {crab 3401  c0 4287  {csn 4582  ccnv 5631  cima 5635  wf 6496  (class class class)co 7368  Fincfn 8895  0cc0 11038  1c1 11039   + caddc 11041   · cmul 11043  cmin 11376  cn 12157  ...cfz 13435
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 1912  ax-6 1969  ax-7 2010  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2147  ax-11 2163  ax-12 2185  ax-ext 2709  ax-rep 5226  ax-sep 5243  ax-nul 5253  ax-pow 5312  ax-pr 5379  ax-un 7690  ax-cnex 11094  ax-resscn 11095  ax-1cn 11096  ax-icn 11097  ax-addcl 11098  ax-addrcl 11099  ax-mulcl 11100  ax-mulrcl 11101  ax-mulcom 11102  ax-addass 11103  ax-mulass 11104  ax-distr 11105  ax-i2m1 11106  ax-1ne0 11107  ax-1rid 11108  ax-rnegex 11109  ax-rrecex 11110  ax-cnre 11111  ax-pre-lttri 11112  ax-pre-lttrn 11113  ax-pre-ltadd 11114  ax-pre-mulgt0 11115  ax-pre-sup 11116
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2069  df-mo 2540  df-eu 2570  df-clab 2716  df-cleq 2729  df-clel 2812  df-nfc 2886  df-ne 2934  df-nel 3038  df-ral 3053  df-rex 3063  df-rmo 3352  df-reu 3353  df-rab 3402  df-v 3444  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-dif 3906  df-un 3908  df-in 3910  df-ss 3920  df-pss 3923  df-nul 4288  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4583  df-pr 4585  df-op 4589  df-uni 4866  df-int 4905  df-iun 4950  df-br 5101  df-opab 5163  df-mpt 5182  df-tr 5208  df-id 5527  df-eprel 5532  df-po 5540  df-so 5541  df-fr 5585  df-we 5587  df-xp 5638  df-rel 5639  df-cnv 5640  df-co 5641  df-dm 5642  df-rn 5643  df-res 5644  df-ima 5645  df-pred 6267  df-ord 6328  df-on 6329  df-lim 6330  df-suc 6331  df-iota 6456  df-fun 6502  df-fn 6503  df-f 6504  df-f1 6505  df-fo 6506  df-f1o 6507  df-fv 6508  df-riota 7325  df-ov 7371  df-oprab 7372  df-mpo 7373  df-om 7819  df-1st 7943  df-2nd 7944  df-frecs 8233  df-wrecs 8264  df-recs 8313  df-rdg 8351  df-1o 8407  df-oadd 8411  df-er 8645  df-map 8777  df-pm 8778  df-en 8896  df-dom 8897  df-sdom 8898  df-fin 8899  df-sup 9357  df-inf 9358  df-dju 9825  df-card 9863  df-pnf 11180  df-mnf 11181  df-xr 11182  df-ltxr 11183  df-le 11184  df-sub 11378  df-neg 11379  df-nn 12158  df-2 12220  df-n0 12414  df-xnn0 12487  df-z 12501  df-uz 12764  df-rp 12918  df-fz 13436  df-fl 13724  df-hash 14266  df-vdwap 16908  df-vdwmc 16909  df-vdwpc 16910
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator