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

Theorem vdwnn 16881
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 765 . . 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 767 . . 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 7369 . . . . . . . . . . 11 (𝑚 = 𝑤 → (𝑚 · 𝑑) = (𝑤 · 𝑑))
43oveq2d 7378 . . . . . . . . . 10 (𝑚 = 𝑤 → (𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) = (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)))
54eleq1d 2817 . . . . . . . . 9 (𝑚 = 𝑤 → ((𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
65cbvralvw 3223 . . . . . . . 8 (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}))
7 oveq1 7369 . . . . . . . . . 10 (𝑎 = 𝑦 → (𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) = (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)))
87eleq1d 2817 . . . . . . . . 9 (𝑎 = 𝑦 → ((𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
98ralbidv 3170 . . . . . . . 8 (𝑎 = 𝑦 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
106, 9bitrid 282 . . . . . . 7 (𝑎 = 𝑦 → (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
11 oveq2 7370 . . . . . . . . . 10 (𝑑 = 𝑧 → (𝑤 · 𝑑) = (𝑤 · 𝑧))
1211oveq2d 7378 . . . . . . . . 9 (𝑑 = 𝑧 → (𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) = (𝑦 + (𝑤 · 𝑧)))
1312eleq1d 2817 . . . . . . . 8 (𝑑 = 𝑧 → ((𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ (𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
1413ralbidv 3170 . . . . . . 7 (𝑑 = 𝑧 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
1510, 14cbvrex2vw 3226 . . . . . 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 7369 . . . . . . . . 9 (𝑘 = 𝑥 → (𝑘 − 1) = (𝑥 − 1))
1716oveq2d 7378 . . . . . . . 8 (𝑘 = 𝑥 → (0...(𝑘 − 1)) = (0...(𝑥 − 1)))
1817raleqdv 3311 . . . . . . 7 (𝑘 = 𝑥 → (∀𝑤 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢}) ↔ ∀𝑤 ∈ (0...(𝑥 − 1))(𝑦 + (𝑤 · 𝑧)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
19182rexbidv 3209 . . . . . 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 282 . . . . 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 317 . . . 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 3415 . . 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 4601 . . . . . . . . . . 11 (𝑐 = 𝑢 → {𝑐} = {𝑢})
2524imaeq2d 6018 . . . . . . . . . 10 (𝑐 = 𝑢 → (𝐹 “ {𝑐}) = (𝐹 “ {𝑢}))
2625eleq2d 2818 . . . . . . . . 9 (𝑐 = 𝑢 → ((𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ (𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
2726ralbidv 3170 . . . . . . . 8 (𝑐 = 𝑢 → (∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑐}) ↔ ∀𝑚 ∈ (0...(𝑘 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (𝐹 “ {𝑢})))
28272rexbidv 3209 . . . . . . 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 3170 . . . . . 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 3224 . . . . 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 327 . . . 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 4350 . . . . . . 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 3099 . . . . . . 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 274 . . . . . 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 3092 . . . . 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 3071 . . . . 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 274 . . . 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 233 . . 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 16880 . 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 230 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 2106  wne 2939  wral 3060  wrex 3069  {crab 3405  c0 4287  {csn 4591  ccnv 5637  cima 5641  wf 6497  (class class class)co 7362  Fincfn 8890  0cc0 11060  1c1 11061   + caddc 11063   · cmul 11065  cmin 11394  cn 12162  ...cfz 13434
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 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2702  ax-rep 5247  ax-sep 5261  ax-nul 5268  ax-pow 5325  ax-pr 5389  ax-un 7677  ax-cnex 11116  ax-resscn 11117  ax-1cn 11118  ax-icn 11119  ax-addcl 11120  ax-addrcl 11121  ax-mulcl 11122  ax-mulrcl 11123  ax-mulcom 11124  ax-addass 11125  ax-mulass 11126  ax-distr 11127  ax-i2m1 11128  ax-1ne0 11129  ax-1rid 11130  ax-rnegex 11131  ax-rrecex 11132  ax-cnre 11133  ax-pre-lttri 11134  ax-pre-lttrn 11135  ax-pre-ltadd 11136  ax-pre-mulgt0 11137  ax-pre-sup 11138
This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2533  df-eu 2562  df-clab 2709  df-cleq 2723  df-clel 2809  df-nfc 2884  df-ne 2940  df-nel 3046  df-ral 3061  df-rex 3070  df-rmo 3351  df-reu 3352  df-rab 3406  df-v 3448  df-sbc 3743  df-csb 3859  df-dif 3916  df-un 3918  df-in 3920  df-ss 3930  df-pss 3932  df-nul 4288  df-if 4492  df-pw 4567  df-sn 4592  df-pr 4594  df-op 4598  df-uni 4871  df-int 4913  df-iun 4961  df-br 5111  df-opab 5173  df-mpt 5194  df-tr 5228  df-id 5536  df-eprel 5542  df-po 5550  df-so 5551  df-fr 5593  df-we 5595  df-xp 5644  df-rel 5645  df-cnv 5646  df-co 5647  df-dm 5648  df-rn 5649  df-res 5650  df-ima 5651  df-pred 6258  df-ord 6325  df-on 6326  df-lim 6327  df-suc 6328  df-iota 6453  df-fun 6503  df-fn 6504  df-f 6505  df-f1 6506  df-fo 6507  df-f1o 6508  df-fv 6509  df-riota 7318  df-ov 7365  df-oprab 7366  df-mpo 7367  df-om 7808  df-1st 7926  df-2nd 7927  df-frecs 8217  df-wrecs 8248  df-recs 8322  df-rdg 8361  df-1o 8417  df-oadd 8421  df-er 8655  df-map 8774  df-pm 8775  df-en 8891  df-dom 8892  df-sdom 8893  df-fin 8894  df-sup 9387  df-inf 9388  df-dju 9846  df-card 9884  df-pnf 11200  df-mnf 11201  df-xr 11202  df-ltxr 11203  df-le 11204  df-sub 11396  df-neg 11397  df-nn 12163  df-2 12225  df-n0 12423  df-xnn0 12495  df-z 12509  df-uz 12773  df-rp 12925  df-fz 13435  df-fl 13707  df-hash 14241  df-vdwap 16851  df-vdwmc 16852  df-vdwpc 16853
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator