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Theorem trcl 8157
Description: For any set  A, show the properties of its transitive closure  C. Similar to Theorem 9.1 of [TakeutiZaring] p. 73 except that we show an explicit expression for the transitive closure rather than just its existence. See tz9.1 8158 for an abbreviated version showing existence. (Contributed by NM, 14-Sep-2003.) (Revised by Mario Carneiro, 11-Sep-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
trcl.1  |-  A  e. 
_V
trcl.2  |-  F  =  ( rec ( ( z  e.  _V  |->  ( z  u.  U. z
) ) ,  A
)  |`  om )
trcl.3  |-  C  = 
U_ y  e.  om  ( F `  y )
Assertion
Ref Expression
trcl  |-  ( A 
C_  C  /\  Tr  C  /\  A. x ( ( A  C_  x  /\  Tr  x )  ->  C  C_  x ) )
Distinct variable groups:    x, z    x, y, A    x, F, y
Allowed substitution hints:    A( z)    C( x, y, z)    F( z)

Proof of Theorem trcl
Dummy variables  v  u are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 peano1 6700 . . . . 5  |-  (/)  e.  om
2 trcl.2 . . . . . . . 8  |-  F  =  ( rec ( ( z  e.  _V  |->  ( z  u.  U. z
) ) ,  A
)  |`  om )
32fveq1i 5853 . . . . . . 7  |-  ( F `
 (/) )  =  ( ( rec ( ( z  e.  _V  |->  ( z  u.  U. z
) ) ,  A
)  |`  om ) `  (/) )
4 trcl.1 . . . . . . . 8  |-  A  e. 
_V
5 fr0g 7099 . . . . . . . 8  |-  ( A  e.  _V  ->  (
( rec ( ( z  e.  _V  |->  ( z  u.  U. z
) ) ,  A
)  |`  om ) `  (/) )  =  A )
64, 5ax-mp 5 . . . . . . 7  |-  ( ( rec ( ( z  e.  _V  |->  ( z  u.  U. z ) ) ,  A )  |`  om ) `  (/) )  =  A
73, 6eqtr2i 2471 . . . . . 6  |-  A  =  ( F `  (/) )
87eqimssi 3540 . . . . 5  |-  A  C_  ( F `  (/) )
9 fveq2 5852 . . . . . . 7  |-  ( y  =  (/)  ->  ( F `
 y )  =  ( F `  (/) ) )
109sseq2d 3514 . . . . . 6  |-  ( y  =  (/)  ->  ( A 
C_  ( F `  y )  <->  A  C_  ( F `  (/) ) ) )
1110rspcev 3194 . . . . 5  |-  ( (
(/)  e.  om  /\  A  C_  ( F `  (/) ) )  ->  E. y  e.  om  A  C_  ( F `  y ) )
121, 8, 11mp2an 672 . . . 4  |-  E. y  e.  om  A  C_  ( F `  y )
13 ssiun 4353 . . . 4  |-  ( E. y  e.  om  A  C_  ( F `  y
)  ->  A  C_  U_ y  e.  om  ( F `  y ) )
1412, 13ax-mp 5 . . 3  |-  A  C_  U_ y  e.  om  ( F `  y )
15 trcl.3 . . 3  |-  C  = 
U_ y  e.  om  ( F `  y )
1614, 15sseqtr4i 3519 . 2  |-  A  C_  C
17 dftr2 4528 . . . 4  |-  ( Tr 
U_ y  e.  om  ( F `  y )  <->  A. v A. u ( ( v  e.  u  /\  u  e.  U_ y  e.  om  ( F `  y ) )  -> 
v  e.  U_ y  e.  om  ( F `  y ) ) )
18 eliun 4316 . . . . . . . . 9  |-  ( u  e.  U_ y  e. 
om  ( F `  y )  <->  E. y  e.  om  u  e.  ( F `  y ) )
1918anbi2i 694 . . . . . . . 8  |-  ( ( v  e.  u  /\  u  e.  U_ y  e. 
om  ( F `  y ) )  <->  ( v  e.  u  /\  E. y  e.  om  u  e.  ( F `  y ) ) )
20 r19.42v 2996 . . . . . . . 8  |-  ( E. y  e.  om  (
v  e.  u  /\  u  e.  ( F `  y ) )  <->  ( v  e.  u  /\  E. y  e.  om  u  e.  ( F `  y ) ) )
2119, 20bitr4i 252 . . . . . . 7  |-  ( ( v  e.  u  /\  u  e.  U_ y  e. 
om  ( F `  y ) )  <->  E. y  e.  om  ( v  e.  u  /\  u  e.  ( F `  y
) ) )
22 elunii 4235 . . . . . . . . 9  |-  ( ( v  e.  u  /\  u  e.  ( F `  y ) )  -> 
v  e.  U. ( F `  y )
)
23 ssun2 3650 . . . . . . . . . . 11  |-  U. ( F `  y )  C_  ( ( F `  y )  u.  U. ( F `  y ) )
24 fvex 5862 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( F `
 y )  e. 
_V
2524uniex 6577 . . . . . . . . . . . . 13  |-  U. ( F `  y )  e.  _V
2624, 25unex 6579 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( F `  y )  u.  U. ( F `
 y ) )  e.  _V
27 id 22 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( x  =  z  ->  x  =  z )
28 unieq 4238 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( x  =  z  ->  U. x  =  U. z )
2927, 28uneq12d 3641 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( x  =  z  ->  (
x  u.  U. x
)  =  ( z  u.  U. z ) )
30 id 22 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( x  =  ( F `  y )  ->  x  =  ( F `  y ) )
31 unieq 4238 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( x  =  ( F `  y )  ->  U. x  =  U. ( F `  y ) )
3230, 31uneq12d 3641 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( x  =  ( F `  y )  ->  (
x  u.  U. x
)  =  ( ( F `  y )  u.  U. ( F `
 y ) ) )
332, 29, 32frsucmpt2 7103 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( y  e.  om  /\  ( ( F `  y )  u.  U. ( F `  y ) )  e.  _V )  ->  ( F `  suc  y )  =  ( ( F `  y
)  u.  U. ( F `  y )
) )
3426, 33mpan2 671 . . . . . . . . . . 11  |-  ( y  e.  om  ->  ( F `  suc  y )  =  ( ( F `
 y )  u. 
U. ( F `  y ) ) )
3523, 34syl5sseqr 3535 . . . . . . . . . 10  |-  ( y  e.  om  ->  U. ( F `  y )  C_  ( F `  suc  y ) )
3635sseld 3485 . . . . . . . . 9  |-  ( y  e.  om  ->  (
v  e.  U. ( F `  y )  ->  v  e.  ( F `
 suc  y )
) )
3722, 36syl5 32 . . . . . . . 8  |-  ( y  e.  om  ->  (
( v  e.  u  /\  u  e.  ( F `  y )
)  ->  v  e.  ( F `  suc  y
) ) )
3837reximia 2907 . . . . . . 7  |-  ( E. y  e.  om  (
v  e.  u  /\  u  e.  ( F `  y ) )  ->  E. y  e.  om  v  e.  ( F `  suc  y ) )
3921, 38sylbi 195 . . . . . 6  |-  ( ( v  e.  u  /\  u  e.  U_ y  e. 
om  ( F `  y ) )  ->  E. y  e.  om  v  e.  ( F `  suc  y ) )
40 peano2 6701 . . . . . . . . . 10  |-  ( y  e.  om  ->  suc  y  e.  om )
41 fveq2 5852 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( u  =  suc  y  -> 
( F `  u
)  =  ( F `
 suc  y )
)
4241eleq2d 2511 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( u  =  suc  y  -> 
( v  e.  ( F `  u )  <-> 
v  e.  ( F `
 suc  y )
) )
4342rspcev 3194 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( suc  y  e.  om  /\  v  e.  ( F `
 suc  y )
)  ->  E. u  e.  om  v  e.  ( F `  u ) )
4443ex 434 . . . . . . . . . 10  |-  ( suc  y  e.  om  ->  ( v  e.  ( F `
 suc  y )  ->  E. u  e.  om  v  e.  ( F `  u ) ) )
4540, 44syl 16 . . . . . . . . 9  |-  ( y  e.  om  ->  (
v  e.  ( F `
 suc  y )  ->  E. u  e.  om  v  e.  ( F `  u ) ) )
4645rexlimiv 2927 . . . . . . . 8  |-  ( E. y  e.  om  v  e.  ( F `  suc  y )  ->  E. u  e.  om  v  e.  ( F `  u ) )
47 fveq2 5852 . . . . . . . . . 10  |-  ( y  =  u  ->  ( F `  y )  =  ( F `  u ) )
4847eleq2d 2511 . . . . . . . . 9  |-  ( y  =  u  ->  (
v  e.  ( F `
 y )  <->  v  e.  ( F `  u ) ) )
4948cbvrexv 3069 . . . . . . . 8  |-  ( E. y  e.  om  v  e.  ( F `  y
)  <->  E. u  e.  om  v  e.  ( F `  u ) )
5046, 49sylibr 212 . . . . . . 7  |-  ( E. y  e.  om  v  e.  ( F `  suc  y )  ->  E. y  e.  om  v  e.  ( F `  y ) )
51 eliun 4316 . . . . . . 7  |-  ( v  e.  U_ y  e. 
om  ( F `  y )  <->  E. y  e.  om  v  e.  ( F `  y ) )
5250, 51sylibr 212 . . . . . 6  |-  ( E. y  e.  om  v  e.  ( F `  suc  y )  ->  v  e.  U_ y  e.  om  ( F `  y ) )
5339, 52syl 16 . . . . 5  |-  ( ( v  e.  u  /\  u  e.  U_ y  e. 
om  ( F `  y ) )  -> 
v  e.  U_ y  e.  om  ( F `  y ) )
5453ax-gen 1603 . . . 4  |-  A. u
( ( v  e.  u  /\  u  e. 
U_ y  e.  om  ( F `  y ) )  ->  v  e.  U_ y  e.  om  ( F `  y )
)
5517, 54mpgbir 1607 . . 3  |-  Tr  U_ y  e.  om  ( F `  y )
56 treq 4532 . . . 4  |-  ( C  =  U_ y  e. 
om  ( F `  y )  ->  ( Tr  C  <->  Tr  U_ y  e. 
om  ( F `  y ) ) )
5715, 56ax-mp 5 . . 3  |-  ( Tr  C  <->  Tr  U_ y  e. 
om  ( F `  y ) )
5855, 57mpbir 209 . 2  |-  Tr  C
59 fveq2 5852 . . . . . . . 8  |-  ( v  =  (/)  ->  ( F `
 v )  =  ( F `  (/) ) )
6059sseq1d 3513 . . . . . . 7  |-  ( v  =  (/)  ->  ( ( F `  v ) 
C_  x  <->  ( F `  (/) )  C_  x
) )
61 fveq2 5852 . . . . . . . 8  |-  ( v  =  y  ->  ( F `  v )  =  ( F `  y ) )
6261sseq1d 3513 . . . . . . 7  |-  ( v  =  y  ->  (
( F `  v
)  C_  x  <->  ( F `  y )  C_  x
) )
63 fveq2 5852 . . . . . . . 8  |-  ( v  =  suc  y  -> 
( F `  v
)  =  ( F `
 suc  y )
)
6463sseq1d 3513 . . . . . . 7  |-  ( v  =  suc  y  -> 
( ( F `  v )  C_  x  <->  ( F `  suc  y
)  C_  x )
)
653, 6eqtri 2470 . . . . . . . . . 10  |-  ( F `
 (/) )  =  A
6665sseq1i 3510 . . . . . . . . 9  |-  ( ( F `  (/) )  C_  x 
<->  A  C_  x )
6766biimpri 206 . . . . . . . 8  |-  ( A 
C_  x  ->  ( F `  (/) )  C_  x )
6867adantr 465 . . . . . . 7  |-  ( ( A  C_  x  /\  Tr  x )  ->  ( F `  (/) )  C_  x )
69 uniss 4251 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( F `  y ) 
C_  x  ->  U. ( F `  y )  C_ 
U. x )
70 df-tr 4527 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( Tr  x  <->  U. x  C_  x
)
71 sstr2 3493 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( U. ( F `  y ) 
C_  U. x  ->  ( U. x  C_  x  ->  U. ( F `  y
)  C_  x )
)
7270, 71syl5bi 217 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( U. ( F `  y ) 
C_  U. x  ->  ( Tr  x  ->  U. ( F `  y )  C_  x ) )
7369, 72syl 16 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( F `  y ) 
C_  x  ->  ( Tr  x  ->  U. ( F `  y )  C_  x ) )
7473anc2li 557 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( F `  y ) 
C_  x  ->  ( Tr  x  ->  ( ( F `  y ) 
C_  x  /\  U. ( F `  y ) 
C_  x ) ) )
75 unss 3660 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( F `  y
)  C_  x  /\  U. ( F `  y
)  C_  x )  <->  ( ( F `  y
)  u.  U. ( F `  y )
)  C_  x )
7674, 75syl6ib 226 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( F `  y ) 
C_  x  ->  ( Tr  x  ->  ( ( F `  y )  u.  U. ( F `
 y ) ) 
C_  x ) )
7734sseq1d 3513 . . . . . . . . . . 11  |-  ( y  e.  om  ->  (
( F `  suc  y )  C_  x  <->  ( ( F `  y
)  u.  U. ( F `  y )
)  C_  x )
)
7877biimprd 223 . . . . . . . . . 10  |-  ( y  e.  om  ->  (
( ( F `  y )  u.  U. ( F `  y ) )  C_  x  ->  ( F `  suc  y
)  C_  x )
)
7976, 78syl9r 72 . . . . . . . . 9  |-  ( y  e.  om  ->  (
( F `  y
)  C_  x  ->  ( Tr  x  ->  ( F `  suc  y ) 
C_  x ) ) )
8079com23 78 . . . . . . . 8  |-  ( y  e.  om  ->  ( Tr  x  ->  ( ( F `  y ) 
C_  x  ->  ( F `  suc  y ) 
C_  x ) ) )
8180adantld 467 . . . . . . 7  |-  ( y  e.  om  ->  (
( A  C_  x  /\  Tr  x )  -> 
( ( F `  y )  C_  x  ->  ( F `  suc  y )  C_  x
) ) )
8260, 62, 64, 68, 81finds2 6709 . . . . . 6  |-  ( v  e.  om  ->  (
( A  C_  x  /\  Tr  x )  -> 
( F `  v
)  C_  x )
)
8382com12 31 . . . . 5  |-  ( ( A  C_  x  /\  Tr  x )  ->  (
v  e.  om  ->  ( F `  v ) 
C_  x ) )
8483ralrimiv 2853 . . . 4  |-  ( ( A  C_  x  /\  Tr  x )  ->  A. v  e.  om  ( F `  v )  C_  x
)
85 fveq2 5852 . . . . . . . 8  |-  ( y  =  v  ->  ( F `  y )  =  ( F `  v ) )
8685cbviunv 4350 . . . . . . 7  |-  U_ y  e.  om  ( F `  y )  =  U_ v  e.  om  ( F `  v )
8715, 86eqtri 2470 . . . . . 6  |-  C  = 
U_ v  e.  om  ( F `  v )
8887sseq1i 3510 . . . . 5  |-  ( C 
C_  x  <->  U_ v  e. 
om  ( F `  v )  C_  x
)
89 iunss 4352 . . . . 5  |-  ( U_ v  e.  om  ( F `  v )  C_  x  <->  A. v  e.  om  ( F `  v ) 
C_  x )
9088, 89bitri 249 . . . 4  |-  ( C 
C_  x  <->  A. v  e.  om  ( F `  v )  C_  x
)
9184, 90sylibr 212 . . 3  |-  ( ( A  C_  x  /\  Tr  x )  ->  C  C_  x )
9291ax-gen 1603 . 2  |-  A. x
( ( A  C_  x  /\  Tr  x )  ->  C  C_  x
)
9316, 58, 923pm3.2i 1173 1  |-  ( A 
C_  C  /\  Tr  C  /\  A. x ( ( A  C_  x  /\  Tr  x )  ->  C  C_  x ) )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:    -> wi 4    <-> wb 184    /\ wa 369    /\ w3a 972   A.wal 1379    = wceq 1381    e. wcel 1802   A.wral 2791   E.wrex 2792   _Vcvv 3093    u. cun 3456    C_ wss 3458   (/)c0 3767   U.cuni 4230   U_ciun 4311    |-> cmpt 4491   Tr wtr 4526   suc csuc 4866    |` cres 4987   ` cfv 5574   omcom 6681   reccrdg 7073
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1603  ax-4 1616  ax-5 1689  ax-6 1732  ax-7 1774  ax-8 1804  ax-9 1806  ax-10 1821  ax-11 1826  ax-12 1838  ax-13 1983  ax-ext 2419  ax-sep 4554  ax-nul 4562  ax-pow 4611  ax-pr 4672  ax-un 6573
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 370  df-an 371  df-3or 973  df-3an 974  df-tru 1384  df-ex 1598  df-nf 1602  df-sb 1725  df-eu 2270  df-mo 2271  df-clab 2427  df-cleq 2433  df-clel 2436  df-nfc 2591  df-ne 2638  df-ral 2796  df-rex 2797  df-reu 2798  df-rab 2800  df-v 3095  df-sbc 3312  df-csb 3418  df-dif 3461  df-un 3463  df-in 3465  df-ss 3472  df-pss 3474  df-nul 3768  df-if 3923  df-pw 3995  df-sn 4011  df-pr 4013  df-tp 4015  df-op 4017  df-uni 4231  df-iun 4313  df-br 4434  df-opab 4492  df-mpt 4493  df-tr 4527  df-eprel 4777  df-id 4781  df-po 4786  df-so 4787  df-fr 4824  df-we 4826  df-ord 4867  df-on 4868  df-lim 4869  df-suc 4870  df-xp 4991  df-rel 4992  df-cnv 4993  df-co 4994  df-dm 4995  df-rn 4996  df-res 4997  df-ima 4998  df-iota 5537  df-fun 5576  df-fn 5577  df-f 5578  df-f1 5579  df-fo 5580  df-f1o 5581  df-fv 5582  df-om 6682  df-recs 7040  df-rdg 7074
This theorem is referenced by:  tz9.1  8158  tz9.1c  8159
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