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Theorem vdwnn 13358
Description: Van der Waerden's theorem, infinitary version. For any finite coloring  F of the natural numbers, there is a color  c that contains arbitrarily long arithmetic progressions. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Sep-2014.)
Assertion
Ref Expression
vdwnn  |-  ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  ->  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' 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 731 . . 3  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  R  e.  Fin )
2 simplr 732 . . 3  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  F : NN --> R )
3 oveq1 6080 . . . . . . . . . . 11  |-  ( m  =  w  ->  (
m  x.  d )  =  ( w  x.  d ) )
43oveq2d 6089 . . . . . . . . . 10  |-  ( m  =  w  ->  (
a  +  ( m  x.  d ) )  =  ( a  +  ( w  x.  d
) ) )
54eleq1d 2501 . . . . . . . . 9  |-  ( m  =  w  ->  (
( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  ( a  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
65cbvralv 2924 . . . . . . . 8  |-  ( A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) )
7 oveq1 6080 . . . . . . . . . 10  |-  ( a  =  y  ->  (
a  +  ( w  x.  d ) )  =  ( y  +  ( w  x.  d
) ) )
87eleq1d 2501 . . . . . . . . 9  |-  ( a  =  y  ->  (
( a  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  ( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
98ralbidv 2717 . . . . . . . 8  |-  ( a  =  y  ->  ( A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
106, 9syl5bb 249 . . . . . . 7  |-  ( a  =  y  ->  ( A. m  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
11 oveq2 6081 . . . . . . . . . 10  |-  ( d  =  z  ->  (
w  x.  d )  =  ( w  x.  z ) )
1211oveq2d 6089 . . . . . . . . 9  |-  ( d  =  z  ->  (
y  +  ( w  x.  d ) )  =  ( y  +  ( w  x.  z
) ) )
1312eleq1d 2501 . . . . . . . 8  |-  ( d  =  z  ->  (
( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
1413ralbidv 2717 . . . . . . 7  |-  ( d  =  z  ->  ( A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
1510, 14cbvrex2v 2933 . . . . . 6  |-  ( E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
16 oveq1 6080 . . . . . . . . 9  |-  ( k  =  x  ->  (
k  -  1 )  =  ( x  - 
1 ) )
1716oveq2d 6089 . . . . . . . 8  |-  ( k  =  x  ->  (
0 ... ( k  - 
1 ) )  =  ( 0 ... (
x  -  1 ) ) )
1817raleqdv 2902 . . . . . . 7  |-  ( k  =  x  ->  ( A. w  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  A. w  e.  (
0 ... ( x  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
19182rexbidv 2740 . . . . . 6  |-  ( k  =  x  ->  ( E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... ( x  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2015, 19syl5bb 249 . . . . 5  |-  ( k  =  x  ->  ( E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... ( x  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2120notbid 286 . . . 4  |-  ( k  =  x  ->  ( -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  -.  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... ( x  - 
1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2221cbvrabv 2947 . . 3  |-  { k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =  { x  e.  NN  |  -.  E. y  e.  NN  E. z  e.  NN  A. w  e.  ( 0 ... (
x  -  1 ) ) ( y  +  ( w  x.  z
) )  e.  ( `' F " { u } ) }
23 simpr 448 . . . . 5  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )
24 sneq 3817 . . . . . . . . . . 11  |-  ( c  =  u  ->  { c }  =  { u } )
2524imaeq2d 5195 . . . . . . . . . 10  |-  ( c  =  u  ->  ( `' F " { c } )  =  ( `' F " { u } ) )
2625eleq2d 2502 . . . . . . . . 9  |-  ( c  =  u  ->  (
( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2726ralbidv 2717 . . . . . . . 8  |-  ( c  =  u  ->  ( A. m  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  A. m  e.  (
0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
28272rexbidv 2740 . . . . . . 7  |-  ( c  =  u  ->  ( E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
2928ralbidv 2717 . . . . . 6  |-  ( c  =  u  ->  ( A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) ) )
3029cbvrexv 2925 . . . . 5  |-  ( E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } )  <->  E. u  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3123, 30sylnib 296 . . . 4  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  -.  E. u  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
32 rabn0 3639 . . . . . . 7  |-  ( { k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/)  <->  E. k  e.  NN  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
33 rexnal 2708 . . . . . . 7  |-  ( E. k  e.  NN  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  -.  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3432, 33bitri 241 . . . . . 6  |-  ( { k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/)  <->  -.  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3534ralbii 2721 . . . . 5  |-  ( A. u  e.  R  {
k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/)  <->  A. u  e.  R  -.  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
36 ralnex 2707 . . . . 5  |-  ( A. u  e.  R  -.  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } )  <->  -.  E. u  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3735, 36bitri 241 . . . 4  |-  ( A. u  e.  R  {
k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... ( k  - 
1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d ) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/)  <->  -.  E. u  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) )
3831, 37sylibr 204 . . 3  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  ->  A. u  e.  R  { k  e.  NN  |  -.  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { u } ) }  =/=  (/) )
391, 2, 22, 38vdwnnlem3 13357 . 2  |-  -.  (
( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )
40 iman 414 . 2  |-  ( ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  ->  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )  <->  -.  (
( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  /\  -.  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) ) )
4139, 40mpbir 201 1  |-  ( ( R  e.  Fin  /\  F : NN --> R )  ->  E. c  e.  R  A. k  e.  NN  E. a  e.  NN  E. d  e.  NN  A. m  e.  ( 0 ... (
k  -  1 ) ) ( a  +  ( m  x.  d
) )  e.  ( `' F " { c } ) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:   -. wn 3    -> wi 4    /\ wa 359    e. wcel 1725    =/= wne 2598   A.wral 2697   E.wrex 2698   {crab 2701   (/)c0 3620   {csn 3806   `'ccnv 4869   "cima 4873   -->wf 5442  (class class class)co 6073   Fincfn 7101   0cc0 8982   1c1 8983    + caddc 8985    x. cmul 8987    - cmin 9283   NNcn 9992   ...cfz 11035
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1555  ax-5 1566  ax-17 1626  ax-9 1666  ax-8 1687  ax-13 1727  ax-14 1729  ax-6 1744  ax-7 1749  ax-11 1761  ax-12 1950  ax-ext 2416  ax-rep 4312  ax-sep 4322  ax-nul 4330  ax-pow 4369  ax-pr 4395  ax-un 4693  ax-cnex 9038  ax-resscn 9039  ax-1cn 9040  ax-icn 9041  ax-addcl 9042  ax-addrcl 9043  ax-mulcl 9044  ax-mulrcl 9045  ax-mulcom 9046  ax-addass 9047  ax-mulass 9048  ax-distr 9049  ax-i2m1 9050  ax-1ne0 9051  ax-1rid 9052  ax-rnegex 9053  ax-rrecex 9054  ax-cnre 9055  ax-pre-lttri 9056  ax-pre-lttrn 9057  ax-pre-ltadd 9058  ax-pre-mulgt0 9059  ax-pre-sup 9060
This theorem depends on definitions:  df-bi 178  df-or 360  df-an 361  df-3or 937  df-3an 938  df-tru 1328  df-ex 1551  df-nf 1554  df-sb 1659  df-eu 2284  df-mo 2285  df-clab 2422  df-cleq 2428  df-clel 2431  df-nfc 2560  df-ne 2600  df-nel 2601  df-ral 2702  df-rex 2703  df-reu 2704  df-rmo 2705  df-rab 2706  df-v 2950  df-sbc 3154  df-csb 3244  df-dif 3315  df-un 3317  df-in 3319  df-ss 3326  df-pss 3328  df-nul 3621  df-if 3732  df-pw 3793  df-sn 3812  df-pr 3813  df-tp 3814  df-op 3815  df-uni 4008  df-int 4043  df-iun 4087  df-br 4205  df-opab 4259  df-mpt 4260  df-tr 4295  df-eprel 4486  df-id 4490  df-po 4495  df-so 4496  df-fr 4533  df-we 4535  df-ord 4576  df-on 4577  df-lim 4578  df-suc 4579  df-om 4838  df-xp 4876  df-rel 4877  df-cnv 4878  df-co 4879  df-dm 4880  df-rn 4881  df-res 4882  df-ima 4883  df-iota 5410  df-fun 5448  df-fn 5449  df-f 5450  df-f1 5451  df-fo 5452  df-f1o 5453  df-fv 5454  df-ov 6076  df-oprab 6077  df-mpt2 6078  df-1st 6341  df-2nd 6342  df-riota 6541  df-recs 6625  df-rdg 6660  df-1o 6716  df-2o 6717  df-oadd 6720  df-er 6897  df-map 7012  df-pm 7013  df-en 7102  df-dom 7103  df-sdom 7104  df-fin 7105  df-sup 7438  df-card 7818  df-cda 8040  df-pnf 9114  df-mnf 9115  df-xr 9116  df-ltxr 9117  df-le 9118  df-sub 9285  df-neg 9286  df-nn 9993  df-2 10050  df-n0 10214  df-z 10275  df-uz 10481  df-rp 10605  df-fz 11036  df-fl 11194  df-hash 11611  df-vdwap 13328  df-vdwmc 13329  df-vdwpc 13330
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