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

Theorem vdwnn 17053
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 778 . . 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 780 . . 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 7417 . . . . . . . . . . 11 (𝑚 = 𝑤 → (𝑚 · 𝑑) = (𝑤 · 𝑑))
43oveq2d 7426 . . . . . . . . . 10 (𝑚 = 𝑤 → (𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) = (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)))
54eleq1d 2848 . . . . . . . . 9 (𝑚 = 𝑤 → ((𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
65cbvralvw 3243 . . . . . . . 8 (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
7 oveq1 7417 . . . . . . . . . 10 (𝑎 = 𝑦 → (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) = (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)))
87eleq1d 2848 . . . . . . . . 9 (𝑎 = 𝑦 → ((𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
98ralbidv 3188 . . . . . . . 8 (𝑎 = 𝑦 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
106, 9bitrid 286 . . . . . . 7 (𝑎 = 𝑦 → (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
11 oveq2 7418 . . . . . . . . . 10 (𝑑 = 𝑧 → (𝑤 · 𝑑) = (𝑤 · 𝑧))
1211oveq2d 7426 . . . . . . . . 9 (𝑑 = 𝑧 → (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) = (𝑦 + (𝑤 · 𝑧)))
1312eleq1d 2848 . . . . . . . 8 (𝑑 = 𝑧 → ((𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
1413ralbidv 3188 . . . . . . 7 (𝑑 = 𝑧 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
1510, 14cbvrex2vw 3248 . . . . . 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 7417 . . . . . . . . 9 (𝑘 = 𝑥 → (𝑘 − 1) = (𝑥 − 1))
1716oveq2d 7426 . . . . . . . 8 (𝑘 = 𝑥 → (0...(𝑘 − 1)) = (0...(𝑥 − 1)))
1817raleqdv 3323 . . . . . . 7 (𝑘 = 𝑥 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑥 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
19182rexbidv 3230 . . . . . 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 286 . . . . 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 321 . . . 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 3426 . . 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 489 . . . . 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 4599 . . . . . . . . . . 11 (𝑐 = 𝑢 → {𝑐} = {𝑢})
2524imaeq2d 6062 . . . . . . . . . 10 (𝑐 = 𝑢 → (𝐹 “ {𝑐}) = (𝐹 “ {𝑢}))
2625eleq2d 2849 . . . . . . . . 9 (𝑐 = 𝑢 → ((𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ (𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
2726ralbidv 3188 . . . . . . . 8 (𝑐 = 𝑢 → (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
28272rexbidv 3230 . . . . . . 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 3188 . . . . . 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 3244 . . . . 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 331 . . . 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 4346 . . . . . . 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 3117 . . . . . . 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 278 . . . . . 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 3111 . . . . 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 3091 . . . . 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 278 . . . 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 237 . . 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 17052 . 2 ¬ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐹:ℕ⟶𝑅) ∧ ¬ ∃𝑐𝑅𝑘 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}))
40 iman 406 . 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 234 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 400  wcel 2143  wne 2958  wral 3079  wrex 3089  {crab 3416  c0 4286  {csn 4589  ccnv 5660  cima 5664  wf 6532  (class class class)co 7410  Fincfn 8939  0cc0 11095  1c1 11096   + caddc 11098   · cmul 11100  cmin 11436  cn 12228  ...cfz 13530
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1825  ax-4 1839  ax-5 1940  ax-6 1997  ax-7 2038  ax-8 2145  ax-9 2153  ax-10 2176  ax-11 2192  ax-12 2213  ax-ext 2735  ax-rep 5238  ax-sep 5257  ax-nul 5269  ax-pow 5336  ax-pr 5404  ax-un 7732  ax-cnex 11151  ax-resscn 11152  ax-1cn 11153  ax-icn 11154  ax-addcl 11155  ax-addrcl 11156  ax-mulcl 11157  ax-mulrcl 11158  ax-mulcom 11159  ax-addass 11160  ax-mulass 11161  ax-distr 11162  ax-i2m1 11163  ax-1ne0 11164  ax-1rid 11165  ax-rnegex 11166  ax-rrecex 11167  ax-cnre 11168  ax-pre-lttri 11169  ax-pre-lttrn 11170  ax-pre-ltadd 11171  ax-pre-mulgt0 11172  ax-pre-sup 11173
This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1810  df-nf 1814  df-sb 2097  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2838  df-nfc 2912  df-ne 2959  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3457  df-sbc 3745  df-csb 3854  df-dif 3908  df-un 3910  df-in 3912  df-ss 3922  df-pss 3925  df-nul 4287  df-if 4488  df-pw 4564  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4873  df-int 4913  df-iun 4958  df-br 5110  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5556  df-eprel 5561  df-po 5569  df-so 5570  df-fr 5614  df-we 5616  df-xp 5667  df-rel 5668  df-cnv 5669  df-co 5670  df-dm 5671  df-rn 5672  df-res 5673  df-ima 5674  df-pred 6302  df-ord 6363  df-on 6364  df-lim 6365  df-suc 6366  df-iota 6492  df-fun 6538  df-fn 6539  df-f 6540  df-f1 6541  df-fo 6542  df-f1o 6543  df-fv 6544  df-riota 7367  df-ov 7413  df-oprab 7414  df-mpo 7415  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-oadd 8453  df-er 8690  df-map 8822  df-pm 8823  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-sup 9398  df-inf 9399  df-dju 9883  df-card 9921  df-pnf 11240  df-mnf 11241  df-xr 11242  df-ltxr 11243  df-le 11244  df-sub 11438  df-neg 11439  df-nn 12229  df-2 12298  df-n0 12500  df-xnn0 12573  df-z 12587  df-uz 12858  df-rp 13012  df-fz 13531  df-fl 13821  df-hash 14363  df-vdwap 17023  df-vdwmc 17024  df-vdwpc 17025
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator