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Theorem isinf 7733
Description: Any set that is not finite is literally infinite, in the sense that it contains subsets of arbitrarily large finite cardinality. (It cannot be proven that the set has countably infinite subsets unless AC is invoked.) The proof does not require the Axiom of Infinity. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Jan-2013.)
Assertion
Ref Expression
isinf  |-  ( -.  A  e.  Fin  ->  A. n  e.  om  E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  n
) )
Distinct variable group:    x, A, n

Proof of Theorem isinf
Dummy variables  f  m  y  z  g are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 breq2 4451 . . . . . 6  |-  ( n  =  (/)  ->  ( x 
~~  n  <->  x  ~~  (/) ) )
21anbi2d 703 . . . . 5  |-  ( n  =  (/)  ->  ( ( x  C_  A  /\  x  ~~  n )  <->  ( x  C_  A  /\  x  ~~  (/) ) ) )
32exbidv 1690 . . . 4  |-  ( n  =  (/)  ->  ( E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  n
)  <->  E. x ( x 
C_  A  /\  x  ~~  (/) ) ) )
4 breq2 4451 . . . . . 6  |-  ( n  =  m  ->  (
x  ~~  n  <->  x  ~~  m ) )
54anbi2d 703 . . . . 5  |-  ( n  =  m  ->  (
( x  C_  A  /\  x  ~~  n )  <-> 
( x  C_  A  /\  x  ~~  m ) ) )
65exbidv 1690 . . . 4  |-  ( n  =  m  ->  ( E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  n
)  <->  E. x ( x 
C_  A  /\  x  ~~  m ) ) )
7 sseq1 3525 . . . . . . 7  |-  ( x  =  y  ->  (
x  C_  A  <->  y  C_  A ) )
87adantl 466 . . . . . 6  |-  ( ( n  =  suc  m  /\  x  =  y
)  ->  ( x  C_  A  <->  y  C_  A
) )
9 breq1 4450 . . . . . . 7  |-  ( x  =  y  ->  (
x  ~~  n  <->  y  ~~  n ) )
10 breq2 4451 . . . . . . 7  |-  ( n  =  suc  m  -> 
( y  ~~  n  <->  y 
~~  suc  m )
)
119, 10sylan9bbr 700 . . . . . 6  |-  ( ( n  =  suc  m  /\  x  =  y
)  ->  ( x  ~~  n  <->  y  ~~  suc  m ) )
128, 11anbi12d 710 . . . . 5  |-  ( ( n  =  suc  m  /\  x  =  y
)  ->  ( (
x  C_  A  /\  x  ~~  n )  <->  ( y  C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) )
1312cbvexdva 2006 . . . 4  |-  ( n  =  suc  m  -> 
( E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  n )  <->  E. y
( y  C_  A  /\  y  ~~  suc  m
) ) )
14 0ss 3814 . . . . . 6  |-  (/)  C_  A
15 0ex 4577 . . . . . . 7  |-  (/)  e.  _V
1615enref 7548 . . . . . 6  |-  (/)  ~~  (/)
17 sseq1 3525 . . . . . . . 8  |-  ( x  =  (/)  ->  ( x 
C_  A  <->  (/)  C_  A
) )
18 breq1 4450 . . . . . . . 8  |-  ( x  =  (/)  ->  ( x 
~~  (/)  <->  (/)  ~~  (/) ) )
1917, 18anbi12d 710 . . . . . . 7  |-  ( x  =  (/)  ->  ( ( x  C_  A  /\  x  ~~  (/) )  <->  ( (/)  C_  A  /\  (/)  ~~  (/) ) ) )
2015, 19spcev 3205 . . . . . 6  |-  ( (
(/)  C_  A  /\  (/)  ~~  (/) )  ->  E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  (/) ) )
2114, 16, 20mp2an 672 . . . . 5  |-  E. x
( x  C_  A  /\  x  ~~  (/) )
2221a1i 11 . . . 4  |-  ( -.  A  e.  Fin  ->  E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  (/) ) )
23 ssdif0 3885 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( A 
C_  x  <->  ( A  \  x )  =  (/) )
24 eqss 3519 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( x  =  A  <->  ( x  C_  A  /\  A  C_  x ) )
25 breq1 4450 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( x  =  A  ->  (
x  ~~  m  <->  A  ~~  m ) )
2625biimpa 484 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( x  =  A  /\  x  ~~  m )  ->  A  ~~  m )
27 rspe 2922 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( m  e.  om  /\  A  ~~  m )  ->  E. m  e.  om  A  ~~  m )
2826, 27sylan2 474 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( ( m  e.  om  /\  ( x  =  A  /\  x  ~~  m ) )  ->  E. m  e.  om  A  ~~  m
)
29 isfi 7539 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( A  e.  Fin  <->  E. m  e.  om  A  ~~  m
)
3028, 29sylibr 212 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( m  e.  om  /\  ( x  =  A  /\  x  ~~  m ) )  ->  A  e.  Fin )
3130expcom 435 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( x  =  A  /\  x  ~~  m )  -> 
( m  e.  om  ->  A  e.  Fin )
)
3224, 31sylanbr 473 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( x  C_  A  /\  A  C_  x )  /\  x  ~~  m
)  ->  ( m  e.  om  ->  A  e.  Fin ) )
3332ex 434 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  C_  A  /\  A  C_  x )  -> 
( x  ~~  m  ->  ( m  e.  om  ->  A  e.  Fin )
) )
3423, 33sylan2br 476 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  C_  A  /\  ( A  \  x
)  =  (/) )  -> 
( x  ~~  m  ->  ( m  e.  om  ->  A  e.  Fin )
) )
3534expcom 435 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( A  \  x )  =  (/)  ->  ( x 
C_  A  ->  (
x  ~~  m  ->  ( m  e.  om  ->  A  e.  Fin ) ) ) )
36353impd 1210 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( A  \  x )  =  (/)  ->  ( ( x  C_  A  /\  x  ~~  m  /\  m  e.  om )  ->  A  e.  Fin ) )
3736com12 31 . . . . . . . . 9  |-  ( ( x  C_  A  /\  x  ~~  m  /\  m  e.  om )  ->  (
( A  \  x
)  =  (/)  ->  A  e.  Fin ) )
3837con3d 133 . . . . . . . 8  |-  ( ( x  C_  A  /\  x  ~~  m  /\  m  e.  om )  ->  ( -.  A  e.  Fin  ->  -.  ( A  \  x )  =  (/) ) )
39 bren 7525 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x 
~~  m  <->  E. f 
f : x -1-1-onto-> m )
40 neq0 3795 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( -.  ( A  \  x
)  =  (/)  <->  E. z 
z  e.  ( A 
\  x ) )
41 eldifi 3626 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22  |-  ( z  e.  ( A  \  x )  ->  z  e.  A )
4241snssd 4172 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21  |-  ( z  e.  ( A  \  x )  ->  { z }  C_  A )
43 unss 3678 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22  |-  ( ( x  C_  A  /\  { z }  C_  A
)  <->  ( x  u. 
{ z } ) 
C_  A )
4443biimpi 194 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21  |-  ( ( x  C_  A  /\  { z }  C_  A
)  ->  ( x  u.  { z } ) 
C_  A )
4542, 44sylan2 474 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20  |-  ( ( x  C_  A  /\  z  e.  ( A  \  x ) )  -> 
( x  u.  {
z } )  C_  A )
4645ad2ant2r 746 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( ( ( x  C_  A  /\  f : x -1-1-onto-> m )  /\  ( z  e.  ( A  \  x
)  /\  m  e.  om ) )  ->  (
x  u.  { z } )  C_  A
)
47 vex 3116 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24  |-  z  e. 
_V
48 vex 3116 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24  |-  m  e. 
_V
4947, 48f1osn 5853 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23  |-  { <. z ,  m >. } : { z } -1-1-onto-> { m }
5049jctr 542 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22  |-  ( f : x -1-1-onto-> m  ->  ( f : x -1-1-onto-> m  /\  { <. z ,  m >. } : { z } -1-1-onto-> { m } ) )
51 eldifn 3627 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24  |-  ( z  e.  ( A  \  x )  ->  -.  z  e.  x )
52 disjsn 4088 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24  |-  ( ( x  i^i  { z } )  =  (/)  <->  -.  z  e.  x )
5351, 52sylibr 212 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23  |-  ( z  e.  ( A  \  x )  ->  (
x  i^i  { z } )  =  (/) )
54 nnord 6692 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24  |-  ( m  e.  om  ->  Ord  m )
55 orddisj 4916 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24  |-  ( Ord  m  ->  ( m  i^i  { m } )  =  (/) )
5654, 55syl 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23  |-  ( m  e.  om  ->  (
m  i^i  { m } )  =  (/) )
5753, 56anim12i 566 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22  |-  ( ( z  e.  ( A 
\  x )  /\  m  e.  om )  ->  ( ( x  i^i 
{ z } )  =  (/)  /\  (
m  i^i  { m } )  =  (/) ) )
58 f1oun 5835 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22  |-  ( ( ( f : x -1-1-onto-> m  /\  { <. z ,  m >. } : {
z } -1-1-onto-> { m } )  /\  ( ( x  i^i  { z } )  =  (/)  /\  (
m  i^i  { m } )  =  (/) ) )  ->  (
f  u.  { <. z ,  m >. } ) : ( x  u. 
{ z } ) -1-1-onto-> ( m  u.  { m } ) )
5950, 57, 58syl2an 477 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21  |-  ( ( f : x -1-1-onto-> m  /\  ( z  e.  ( A  \  x )  /\  m  e.  om ) )  ->  (
f  u.  { <. z ,  m >. } ) : ( x  u. 
{ z } ) -1-1-onto-> ( m  u.  { m } ) )
60 df-suc 4884 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23  |-  suc  m  =  ( m  u. 
{ m } )
61 f1oeq3 5809 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23  |-  ( suc  m  =  ( m  u.  { m }
)  ->  ( (
f  u.  { <. z ,  m >. } ) : ( x  u. 
{ z } ) -1-1-onto-> suc  m  <->  ( f  u. 
{ <. z ,  m >. } ) : ( x  u.  { z } ) -1-1-onto-> ( m  u.  {
m } ) ) )
6260, 61ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22  |-  ( ( f  u.  { <. z ,  m >. } ) : ( x  u. 
{ z } ) -1-1-onto-> suc  m  <->  ( f  u. 
{ <. z ,  m >. } ) : ( x  u.  { z } ) -1-1-onto-> ( m  u.  {
m } ) )
63 vex 3116 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25  |-  f  e. 
_V
64 snex 4688 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25  |-  { <. z ,  m >. }  e.  _V
6563, 64unex 6582 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24  |-  ( f  u.  { <. z ,  m >. } )  e. 
_V
66 f1oeq1 5807 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24  |-  ( g  =  ( f  u. 
{ <. z ,  m >. } )  ->  (
g : ( x  u.  { z } ) -1-1-onto-> suc  m  <->  ( f  u.  { <. z ,  m >. } ) : ( x  u.  { z } ) -1-1-onto-> suc  m ) )
6765, 66spcev 3205 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23  |-  ( ( f  u.  { <. z ,  m >. } ) : ( x  u. 
{ z } ) -1-1-onto-> suc  m  ->  E. g 
g : ( x  u.  { z } ) -1-1-onto-> suc  m )
68 bren 7525 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23  |-  ( ( x  u.  { z } )  ~~  suc  m 
<->  E. g  g : ( x  u.  {
z } ) -1-1-onto-> suc  m
)
6967, 68sylibr 212 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22  |-  ( ( f  u.  { <. z ,  m >. } ) : ( x  u. 
{ z } ) -1-1-onto-> suc  m  ->  ( x  u.  { z } ) 
~~  suc  m )
7062, 69sylbir 213 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21  |-  ( ( f  u.  { <. z ,  m >. } ) : ( x  u. 
{ z } ) -1-1-onto-> ( m  u.  { m } )  ->  (
x  u.  { z } )  ~~  suc  m )
7159, 70syl 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20  |-  ( ( f : x -1-1-onto-> m  /\  ( z  e.  ( A  \  x )  /\  m  e.  om ) )  ->  (
x  u.  { z } )  ~~  suc  m )
7271adantll 713 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( ( ( x  C_  A  /\  f : x -1-1-onto-> m )  /\  ( z  e.  ( A  \  x
)  /\  m  e.  om ) )  ->  (
x  u.  { z } )  ~~  suc  m )
73 vex 3116 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21  |-  x  e. 
_V
74 snex 4688 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21  |-  { z }  e.  _V
7573, 74unex 6582 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20  |-  ( x  u.  { z } )  e.  _V
76 sseq1 3525 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21  |-  ( y  =  ( x  u. 
{ z } )  ->  ( y  C_  A 
<->  ( x  u.  {
z } )  C_  A ) )
77 breq1 4450 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21  |-  ( y  =  ( x  u. 
{ z } )  ->  ( y  ~~  suc  m  <->  ( x  u. 
{ z } ) 
~~  suc  m )
)
7876, 77anbi12d 710 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20  |-  ( y  =  ( x  u. 
{ z } )  ->  ( ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m )  <->  ( (
x  u.  { z } )  C_  A  /\  ( x  u.  {
z } )  ~~  suc  m ) ) )
7975, 78spcev 3205 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( ( ( x  u.  {
z } )  C_  A  /\  ( x  u. 
{ z } ) 
~~  suc  m )  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) )
8046, 72, 79syl2anc 661 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( ( x  C_  A  /\  f : x -1-1-onto-> m )  /\  ( z  e.  ( A  \  x
)  /\  m  e.  om ) )  ->  E. y
( y  C_  A  /\  y  ~~  suc  m
) )
8180expcom 435 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( ( z  e.  ( A 
\  x )  /\  m  e.  om )  ->  ( ( x  C_  A  /\  f : x -1-1-onto-> m )  ->  E. y
( y  C_  A  /\  y  ~~  suc  m
) ) )
8281ex 434 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( z  e.  ( A  \  x )  ->  (
m  e.  om  ->  ( ( x  C_  A  /\  f : x -1-1-onto-> m )  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) )
8382exlimiv 1698 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( E. z  z  e.  ( A  \  x )  ->  ( m  e. 
om  ->  ( ( x 
C_  A  /\  f : x -1-1-onto-> m )  ->  E. y
( y  C_  A  /\  y  ~~  suc  m
) ) ) )
8440, 83sylbi 195 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( -.  ( A  \  x
)  =  (/)  ->  (
m  e.  om  ->  ( ( x  C_  A  /\  f : x -1-1-onto-> m )  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) )
8584com13 80 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  C_  A  /\  f : x -1-1-onto-> m )  ->  (
m  e.  om  ->  ( -.  ( A  \  x )  =  (/)  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) )
8685expcom 435 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( f : x -1-1-onto-> m  ->  ( x 
C_  A  ->  (
m  e.  om  ->  ( -.  ( A  \  x )  =  (/)  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) ) )
8786exlimiv 1698 . . . . . . . . . . 11  |-  ( E. f  f : x -1-1-onto-> m  ->  ( x  C_  A  ->  ( m  e. 
om  ->  ( -.  ( A  \  x )  =  (/)  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) ) )
8839, 87sylbi 195 . . . . . . . . . 10  |-  ( x 
~~  m  ->  (
x  C_  A  ->  ( m  e.  om  ->  ( -.  ( A  \  x )  =  (/)  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) ) )
8988com12 31 . . . . . . . . 9  |-  ( x 
C_  A  ->  (
x  ~~  m  ->  ( m  e.  om  ->  ( -.  ( A  \  x )  =  (/)  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) ) )
90893imp 1190 . . . . . . . 8  |-  ( ( x  C_  A  /\  x  ~~  m  /\  m  e.  om )  ->  ( -.  ( A  \  x
)  =  (/)  ->  E. y
( y  C_  A  /\  y  ~~  suc  m
) ) )
9138, 90syld 44 . . . . . . 7  |-  ( ( x  C_  A  /\  x  ~~  m  /\  m  e.  om )  ->  ( -.  A  e.  Fin  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) )
92913expia 1198 . . . . . 6  |-  ( ( x  C_  A  /\  x  ~~  m )  -> 
( m  e.  om  ->  ( -.  A  e. 
Fin  ->  E. y ( y 
C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) )
9392exlimiv 1698 . . . . 5  |-  ( E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  m
)  ->  ( m  e.  om  ->  ( -.  A  e.  Fin  ->  E. y
( y  C_  A  /\  y  ~~  suc  m
) ) ) )
9493com3l 81 . . . 4  |-  ( m  e.  om  ->  ( -.  A  e.  Fin  ->  ( E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  m )  ->  E. y ( y  C_  A  /\  y  ~~  suc  m ) ) ) )
953, 6, 13, 22, 94finds2 6712 . . 3  |-  ( n  e.  om  ->  ( -.  A  e.  Fin  ->  E. x ( x 
C_  A  /\  x  ~~  n ) ) )
9695com12 31 . 2  |-  ( -.  A  e.  Fin  ->  ( n  e.  om  ->  E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  n
) ) )
9796ralrimiv 2876 1  |-  ( -.  A  e.  Fin  ->  A. n  e.  om  E. x ( x  C_  A  /\  x  ~~  n
) )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:   -. wn 3    -> wi 4    <-> wb 184    /\ wa 369    /\ w3a 973    = wceq 1379   E.wex 1596    e. wcel 1767   A.wral 2814   E.wrex 2815    \ cdif 3473    u. cun 3474    i^i cin 3475    C_ wss 3476   (/)c0 3785   {csn 4027   <.cop 4033   class class class wbr 4447   Ord word 4877   suc csuc 4880   -1-1-onto->wf1o 5587   omcom 6684    ~~ cen 7513   Fincfn 7516
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1601  ax-4 1612  ax-5 1680  ax-6 1719  ax-7 1739  ax-8 1769  ax-9 1771  ax-10 1786  ax-11 1791  ax-12 1803  ax-13 1968  ax-ext 2445  ax-sep 4568  ax-nul 4576  ax-pow 4625  ax-pr 4686  ax-un 6576
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 370  df-an 371  df-3or 974  df-3an 975  df-tru 1382  df-ex 1597  df-nf 1600  df-sb 1712  df-eu 2279  df-mo 2280  df-clab 2453  df-cleq 2459  df-clel 2462  df-nfc 2617  df-ne 2664  df-ral 2819  df-rex 2820  df-rab 2823  df-v 3115  df-sbc 3332  df-dif 3479  df-un 3481  df-in 3483  df-ss 3490  df-pss 3492  df-nul 3786  df-if 3940  df-pw 4012  df-sn 4028  df-pr 4030  df-tp 4032  df-op 4034  df-uni 4246  df-br 4448  df-opab 4506  df-tr 4541  df-eprel 4791  df-id 4795  df-po 4800  df-so 4801  df-fr 4838  df-we 4840  df-ord 4881  df-on 4882  df-lim 4883  df-suc 4884  df-xp 5005  df-rel 5006  df-cnv 5007  df-co 5008  df-dm 5009  df-rn 5010  df-res 5011  df-ima 5012  df-fun 5590  df-fn 5591  df-f 5592  df-f1 5593  df-fo 5594  df-f1o 5595  df-om 6685  df-en 7517  df-fin 7520
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