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Theorem fin1aufil 17627
Description: There are no definable free ultrafilters in ZFC. However, there are free ultrafilters in some choice-denying constructions. Here we show that given an amorphous set (a.k.a. a Ia-finite I-infinite set)  X, the set of infinite subsets of 
X is a free ultrafilter on  X. (Contributed by Mario Carneiro, 20-May-2015.)
Hypothesis
Ref Expression
fin1aufil.1  |-  F  =  ( ~P X  \  Fin )
Assertion
Ref Expression
fin1aufil  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  -> 
( F  e.  (
UFil `  X )  /\  |^| F  =  (/) ) )

Proof of Theorem fin1aufil
Dummy variables  x  y  z are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 fin1aufil.1 . . . . . . 7  |-  F  =  ( ~P X  \  Fin )
21eleq2i 2347 . . . . . 6  |-  ( x  e.  F  <->  x  e.  ( ~P X  \  Fin ) )
3 eldif 3162 . . . . . 6  |-  ( x  e.  ( ~P X  \  Fin )  <->  ( x  e.  ~P X  /\  -.  x  e.  Fin )
)
4 vex 2791 . . . . . . . 8  |-  x  e. 
_V
54elpw 3631 . . . . . . 7  |-  ( x  e.  ~P X  <->  x  C_  X
)
65anbi1i 676 . . . . . 6  |-  ( ( x  e.  ~P X  /\  -.  x  e.  Fin ) 
<->  ( x  C_  X  /\  -.  x  e.  Fin ) )
72, 3, 63bitri 262 . . . . 5  |-  ( x  e.  F  <->  ( x  C_  X  /\  -.  x  e.  Fin ) )
87a1i 10 . . . 4  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  -> 
( x  e.  F  <->  ( x  C_  X  /\  -.  x  e.  Fin ) ) )
9 elex 2796 . . . 4  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  X  e.  _V )
10 eldifn 3299 . . . . 5  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  -.  X  e.  Fin )
11 eleq1 2343 . . . . . . 7  |-  ( x  =  X  ->  (
x  e.  Fin  <->  X  e.  Fin ) )
1211notbid 285 . . . . . 6  |-  ( x  =  X  ->  ( -.  x  e.  Fin  <->  -.  X  e.  Fin )
)
1312sbcieg 3023 . . . . 5  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  -> 
( [. X  /  x ].  -.  x  e.  Fin  <->  -.  X  e.  Fin )
)
1410, 13mpbird 223 . . . 4  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  [. X  /  x ].  -.  x  e.  Fin )
15 0fin 7087 . . . . . 6  |-  (/)  e.  Fin
16 0ex 4150 . . . . . . . 8  |-  (/)  e.  _V
17 eleq1 2343 . . . . . . . . 9  |-  ( x  =  (/)  ->  ( x  e.  Fin  <->  (/)  e.  Fin ) )
1817notbid 285 . . . . . . . 8  |-  ( x  =  (/)  ->  ( -.  x  e.  Fin  <->  -.  (/)  e.  Fin ) )
1916, 18sbcie 3025 . . . . . . 7  |-  ( [. (/)  /  x ].  -.  x  e.  Fin  <->  -.  (/)  e.  Fin )
2019con2bii 322 . . . . . 6  |-  ( (/)  e.  Fin  <->  -.  [. (/)  /  x ].  -.  x  e.  Fin )
2115, 20mpbi 199 . . . . 5  |-  -.  [. (/)  /  x ].  -.  x  e.  Fin
2221a1i 10 . . . 4  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  -.  [. (/)  /  x ].  -.  x  e.  Fin )
23 ssfi 7083 . . . . . . . 8  |-  ( ( y  e.  Fin  /\  z  C_  y )  -> 
z  e.  Fin )
2423expcom 424 . . . . . . 7  |-  ( z 
C_  y  ->  (
y  e.  Fin  ->  z  e.  Fin ) )
25243ad2ant3 978 . . . . . 6  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  y )  ->  ( y  e. 
Fin  ->  z  e.  Fin ) )
2625con3d 125 . . . . 5  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  y )  ->  ( -.  z  e.  Fin  ->  -.  y  e.  Fin ) )
27 vex 2791 . . . . . 6  |-  z  e. 
_V
28 eleq1 2343 . . . . . . 7  |-  ( x  =  z  ->  (
x  e.  Fin  <->  z  e.  Fin ) )
2928notbid 285 . . . . . 6  |-  ( x  =  z  ->  ( -.  x  e.  Fin  <->  -.  z  e.  Fin )
)
3027, 29sbcie 3025 . . . . 5  |-  ( [. z  /  x ].  -.  x  e.  Fin  <->  -.  z  e.  Fin )
31 vex 2791 . . . . . 6  |-  y  e. 
_V
32 eleq1 2343 . . . . . . 7  |-  ( x  =  y  ->  (
x  e.  Fin  <->  y  e.  Fin ) )
3332notbid 285 . . . . . 6  |-  ( x  =  y  ->  ( -.  x  e.  Fin  <->  -.  y  e.  Fin )
)
3431, 33sbcie 3025 . . . . 5  |-  ( [. y  /  x ].  -.  x  e.  Fin  <->  -.  y  e.  Fin )
3526, 30, 343imtr4g 261 . . . 4  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  y )  ->  ( [. z  /  x ].  -.  x  e.  Fin  ->  [. y  /  x ].  -.  x  e. 
Fin ) )
36 eldifi 3298 . . . . . . . . 9  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  X  e. FinIa )
37 fin1ai 7919 . . . . . . . . 9  |-  ( ( X  e. FinIa  /\  y  C_  X )  ->  (
y  e.  Fin  \/  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)
3836, 37sylan 457 . . . . . . . 8  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X
)  ->  ( y  e.  Fin  \/  ( X 
\  y )  e. 
Fin ) )
39383adant3 975 . . . . . . 7  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  ->  ( y  e. 
Fin  \/  ( X  \  y )  e.  Fin ) )
40 inundif 3532 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( z  i^i  y )  u.  ( z  \ 
y ) )  =  z
41 incom 3361 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( z  i^i  y )  =  ( y  i^i  z
)
42 simprl 732 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
( y  i^i  z
)  e.  Fin  /\  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)  ->  ( y  i^i  z )  e.  Fin )
4341, 42syl5eqel 2367 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
( y  i^i  z
)  e.  Fin  /\  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)  ->  ( z  i^i  y )  e.  Fin )
44 simprr 733 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
( y  i^i  z
)  e.  Fin  /\  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)  ->  ( X  \  y )  e.  Fin )
45 simpl3 960 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
( y  i^i  z
)  e.  Fin  /\  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)  ->  z  C_  X )
46 ssdif 3311 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( z 
C_  X  ->  (
z  \  y )  C_  ( X  \  y
) )
4745, 46syl 15 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
( y  i^i  z
)  e.  Fin  /\  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)  ->  ( z  \  y )  C_  ( X  \  y
) )
48 ssfi 7083 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( X  \  y
)  e.  Fin  /\  ( z  \  y
)  C_  ( X  \  y ) )  -> 
( z  \  y
)  e.  Fin )
4944, 47, 48syl2anc 642 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
( y  i^i  z
)  e.  Fin  /\  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)  ->  ( z  \  y )  e. 
Fin )
50 unfi 7124 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( z  i^i  y
)  e.  Fin  /\  ( z  \  y
)  e.  Fin )  ->  ( ( z  i^i  y )  u.  (
z  \  y )
)  e.  Fin )
5143, 49, 50syl2anc 642 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
( y  i^i  z
)  e.  Fin  /\  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)  ->  ( (
z  i^i  y )  u.  ( z  \  y
) )  e.  Fin )
5240, 51syl5eqelr 2368 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
( y  i^i  z
)  e.  Fin  /\  ( X  \  y
)  e.  Fin )
)  ->  z  e.  Fin )
5352expr 598 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
y  i^i  z )  e.  Fin )  ->  (
( X  \  y
)  e.  Fin  ->  z  e.  Fin ) )
5453orim2d 813 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  /\  (
y  i^i  z )  e.  Fin )  ->  (
( y  e.  Fin  \/  ( X  \  y
)  e.  Fin )  ->  ( y  e.  Fin  \/  z  e.  Fin )
) )
5554ex 423 . . . . . . 7  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  ->  ( ( y  i^i  z )  e. 
Fin  ->  ( ( y  e.  Fin  \/  ( X  \  y )  e. 
Fin )  ->  (
y  e.  Fin  \/  z  e.  Fin )
) ) )
5639, 55mpid 37 . . . . . 6  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  ->  ( ( y  i^i  z )  e. 
Fin  ->  ( y  e. 
Fin  \/  z  e.  Fin ) ) )
5756con3d 125 . . . . 5  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  ->  ( -.  (
y  e.  Fin  \/  z  e.  Fin )  ->  -.  ( y  i^i  z )  e.  Fin ) )
5834, 30anbi12i 678 . . . . . 6  |-  ( (
[. y  /  x ].  -.  x  e.  Fin  /\ 
[. z  /  x ].  -.  x  e.  Fin ) 
<->  ( -.  y  e. 
Fin  /\  -.  z  e.  Fin ) )
59 ioran 476 . . . . . 6  |-  ( -.  ( y  e.  Fin  \/  z  e.  Fin )  <->  ( -.  y  e.  Fin  /\ 
-.  z  e.  Fin ) )
6058, 59bitr4i 243 . . . . 5  |-  ( (
[. y  /  x ].  -.  x  e.  Fin  /\ 
[. z  /  x ].  -.  x  e.  Fin ) 
<->  -.  ( y  e. 
Fin  \/  z  e.  Fin ) )
6131inex1 4155 . . . . . 6  |-  ( y  i^i  z )  e. 
_V
62 eleq1 2343 . . . . . . 7  |-  ( x  =  ( y  i^i  z )  ->  (
x  e.  Fin  <->  ( y  i^i  z )  e.  Fin ) )
6362notbid 285 . . . . . 6  |-  ( x  =  ( y  i^i  z )  ->  ( -.  x  e.  Fin  <->  -.  ( y  i^i  z
)  e.  Fin )
)
6461, 63sbcie 3025 . . . . 5  |-  ( [. ( y  i^i  z
)  /  x ].  -.  x  e.  Fin  <->  -.  ( y  i^i  z
)  e.  Fin )
6557, 60, 643imtr4g 261 . . . 4  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  y  C_  X  /\  z  C_  X )  ->  ( ( [. y  /  x ].  -.  x  e.  Fin  /\  [. z  /  x ].  -.  x  e.  Fin )  ->  [. (
y  i^i  z )  /  x ].  -.  x  e.  Fin ) )
668, 9, 14, 22, 35, 65isfild 17553 . . 3  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  F  e.  ( Fil `  X ) )
6710adantr 451 . . . . . . 7  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  -.  X  e.  Fin )
68 unfi 7124 . . . . . . . 8  |-  ( ( x  e.  Fin  /\  ( X  \  x
)  e.  Fin )  ->  ( x  u.  ( X  \  x ) )  e.  Fin )
69 ssun2 3339 . . . . . . . . 9  |-  X  C_  ( x  u.  X
)
70 undif2 3530 . . . . . . . . 9  |-  ( x  u.  ( X  \  x ) )  =  ( x  u.  X
)
7169, 70sseqtr4i 3211 . . . . . . . 8  |-  X  C_  ( x  u.  ( X  \  x ) )
72 ssfi 7083 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( x  u.  ( X  \  x ) )  e.  Fin  /\  X  C_  ( x  u.  ( X  \  x ) ) )  ->  X  e.  Fin )
7368, 71, 72sylancl 643 . . . . . . 7  |-  ( ( x  e.  Fin  /\  ( X  \  x
)  e.  Fin )  ->  X  e.  Fin )
7467, 73nsyl 113 . . . . . 6  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  -.  ( x  e.  Fin  /\  ( X  \  x
)  e.  Fin )
)
75 ianor 474 . . . . . 6  |-  ( -.  ( x  e.  Fin  /\  ( X  \  x
)  e.  Fin )  <->  ( -.  x  e.  Fin  \/ 
-.  ( X  \  x )  e.  Fin ) )
7674, 75sylib 188 . . . . 5  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  ( -.  x  e.  Fin  \/ 
-.  ( X  \  x )  e.  Fin ) )
77 elpwi 3633 . . . . . . . 8  |-  ( x  e.  ~P X  ->  x  C_  X )
7877adantl 452 . . . . . . 7  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  x  C_  X )
797baib 871 . . . . . . 7  |-  ( x 
C_  X  ->  (
x  e.  F  <->  -.  x  e.  Fin ) )
8078, 79syl 15 . . . . . 6  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  (
x  e.  F  <->  -.  x  e.  Fin ) )
811eleq2i 2347 . . . . . . 7  |-  ( ( X  \  x )  e.  F  <->  ( X  \  x )  e.  ( ~P X  \  Fin ) )
82 difss 3303 . . . . . . . . 9  |-  ( X 
\  x )  C_  X
83 elpw2g 4174 . . . . . . . . . 10  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  -> 
( ( X  \  x )  e.  ~P X 
<->  ( X  \  x
)  C_  X )
)
8483adantr 451 . . . . . . . . 9  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  (
( X  \  x
)  e.  ~P X  <->  ( X  \  x ) 
C_  X ) )
8582, 84mpbiri 224 . . . . . . . 8  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  ( X  \  x )  e. 
~P X )
86 eldif 3162 . . . . . . . . 9  |-  ( ( X  \  x )  e.  ( ~P X  \  Fin )  <->  ( ( X  \  x )  e. 
~P X  /\  -.  ( X  \  x
)  e.  Fin )
)
8786baib 871 . . . . . . . 8  |-  ( ( X  \  x )  e.  ~P X  -> 
( ( X  \  x )  e.  ( ~P X  \  Fin ) 
<->  -.  ( X  \  x )  e.  Fin ) )
8885, 87syl 15 . . . . . . 7  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  (
( X  \  x
)  e.  ( ~P X  \  Fin )  <->  -.  ( X  \  x
)  e.  Fin )
)
8981, 88syl5bb 248 . . . . . 6  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  (
( X  \  x
)  e.  F  <->  -.  ( X  \  x )  e. 
Fin ) )
9080, 89orbi12d 690 . . . . 5  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  (
( x  e.  F  \/  ( X  \  x
)  e.  F )  <-> 
( -.  x  e. 
Fin  \/  -.  ( X  \  x )  e. 
Fin ) ) )
9176, 90mpbird 223 . . . 4  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  ~P X )  ->  (
x  e.  F  \/  ( X  \  x
)  e.  F ) )
9291ralrimiva 2626 . . 3  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  A. x  e.  ~P  X ( x  e.  F  \/  ( X 
\  x )  e.  F ) )
93 isufil 17598 . . 3  |-  ( F  e.  ( UFil `  X
)  <->  ( F  e.  ( Fil `  X
)  /\  A. x  e.  ~P  X ( x  e.  F  \/  ( X  \  x )  e.  F ) ) )
9466, 92, 93sylanbrc 645 . 2  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  F  e.  ( UFil `  X ) )
95 snfi 6941 . . . . 5  |-  { x }  e.  Fin
96 eldifn 3299 . . . . . 6  |-  ( { x }  e.  ( ~P X  \  Fin )  ->  -.  { x }  e.  Fin )
9796, 1eleq2s 2375 . . . . 5  |-  ( { x }  e.  F  ->  -.  { x }  e.  Fin )
9895, 97mt2 170 . . . 4  |-  -.  {
x }  e.  F
99 uffixsn 17620 . . . . . 6  |-  ( ( F  e.  ( UFil `  X )  /\  x  e.  |^| F )  ->  { x }  e.  F )
10094, 99sylan 457 . . . . 5  |-  ( ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  /\  x  e.  |^| F )  ->  { x }  e.  F )
101100ex 423 . . . 4  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  -> 
( x  e.  |^| F  ->  { x }  e.  F ) )
10298, 101mtoi 169 . . 3  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  -.  x  e.  |^| F
)
103102eq0rdv 3489 . 2  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  ->  |^| F  =  (/) )
10494, 103jca 518 1  |-  ( X  e.  (FinIa  \  Fin )  -> 
( F  e.  (
UFil `  X )  /\  |^| F  =  (/) ) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:   -. wn 3    -> wi 4    <-> wb 176    \/ wo 357    /\ wa 358    /\ w3a 934    = wceq 1623    e. wcel 1684   A.wral 2543   [.wsbc 2991    \ cdif 3149    u. cun 3150    i^i cin 3151    C_ wss 3152   (/)c0 3455   ~Pcpw 3625   {csn 3640   |^|cint 3862   ` cfv 5255   Fincfn 6863  FinIacfin1a 7904   Filcfil 17540   UFilcufil 17594
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1533  ax-5 1544  ax-17 1603  ax-9 1635  ax-8 1643  ax-13 1686  ax-14 1688  ax-6 1703  ax-7 1708  ax-11 1715  ax-12 1866  ax-ext 2264  ax-sep 4141  ax-nul 4149  ax-pow 4188  ax-pr 4214  ax-un 4512
This theorem depends on definitions:  df-bi 177  df-or 359  df-an 360  df-3or 935  df-3an 936  df-tru 1310  df-ex 1529  df-nf 1532  df-sb 1630  df-eu 2147  df-mo 2148  df-clab 2270  df-cleq 2276  df-clel 2279  df-nfc 2408  df-ne 2448  df-nel 2449  df-ral 2548  df-rex 2549  df-reu 2550  df-rab 2552  df-v 2790  df-sbc 2992  df-csb 3082  df-dif 3155  df-un 3157  df-in 3159  df-ss 3166  df-pss 3168  df-nul 3456  df-if 3566  df-pw 3627  df-sn 3646  df-pr 3647  df-tp 3648  df-op 3649  df-uni 3828  df-int 3863  df-iun 3907  df-br 4024  df-opab 4078  df-mpt 4079  df-tr 4114  df-eprel 4305  df-id 4309  df-po 4314  df-so 4315  df-fr 4352  df-we 4354  df-ord 4395  df-on 4396  df-lim 4397  df-suc 4398  df-om 4657  df-xp 4695  df-rel 4696  df-cnv 4697  df-co 4698  df-dm 4699  df-rn 4700  df-res 4701  df-ima 4702  df-iota 5219  df-fun 5257  df-fn 5258  df-f 5259  df-f1 5260  df-fo 5261  df-f1o 5262  df-fv 5263  df-ov 5861  df-oprab 5862  df-mpt2 5863  df-recs 6388  df-rdg 6423  df-1o 6479  df-oadd 6483  df-er 6660  df-en 6864  df-fin 6867  df-fin1a 7911  df-fbas 17520  df-fg 17521  df-fil 17541  df-ufil 17596
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