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Theorem bj-imdirco

Description: Functorial property of the direct image: the direct image by a composition is the composition of the direct images. (Contributed by BJ, 23-May-2024)

Ref Expression
Hypotheses bj-imdirco.exa ⊢ φ → A ∈ U
bj-imdirco.exb ⊢ φ → B ∈ V
bj-imdirco.exc ⊢ φ → C ∈ W
bj-imdirco.arg1 ⊢ φ → R ⊆ A × B
bj-imdirco.arg2 ⊢ φ → S ⊆ B × C
Assertion bj-imdirco ⊢ φ → A 𝒫 * C ⁡ S ∘ R = B 𝒫 * C ⁡ S ∘ A 𝒫 * B ⁡ R

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 bj-imdirco.exa ⊢ φ → A ∈ U
2 bj-imdirco.exb ⊢ φ → B ∈ V
3 bj-imdirco.exc ⊢ φ → C ∈ W
4 bj-imdirco.arg1 ⊢ φ → R ⊆ A × B
5 bj-imdirco.arg2 ⊢ φ → S ⊆ B × C
6 imaco ⊢ S ∘ R x = S R x
7 6 eqeq1i ⊢ S ∘ R x = z ↔ S R x = z
8 7 anbi2i ⊢ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S ∘ R x = z ↔ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S R x = z
9 8 a1i ⊢ φ → x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S ∘ R x = z ↔ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S R x = z
10 1 2 xpexd ⊢ φ → A × B ∈ V
11 10 4 ssexd ⊢ φ → R ∈ V
12 imaexg ⊢ R ∈ V → R x ∈ V
13 11 12 syl ⊢ φ → R x ∈ V
14 imass1 ⊢ R ⊆ A × B → R x ⊆ A × B x
15 xpima ⊢ A × B x = if A ∩ x = ∅ ∅ B
16 simpr ⊢ A ∩ x = ∅ ∧ u ∈ ∅ → u ∈ ∅
17 simpr ⊢ ¬ A ∩ x = ∅ ∧ u ∈ B → u ∈ B
18 16 17 orim12i ⊢ A ∩ x = ∅ ∧ u ∈ ∅ ∨ ¬ A ∩ x = ∅ ∧ u ∈ B → u ∈ ∅ ∨ u ∈ B
19 elif ⊢ u ∈ if A ∩ x = ∅ ∅ B ↔ A ∩ x = ∅ ∧ u ∈ ∅ ∨ ¬ A ∩ x = ∅ ∧ u ∈ B
20 elun ⊢ u ∈ ∅ ∪ B ↔ u ∈ ∅ ∨ u ∈ B
21 18 19 20 3imtr4i ⊢ u ∈ if A ∩ x = ∅ ∅ B → u ∈ ∅ ∪ B
22 21 ssriv ⊢ if A ∩ x = ∅ ∅ B ⊆ ∅ ∪ B
23 0ss ⊢ ∅ ⊆ B
24 ssid ⊢ B ⊆ B
25 23 24 unssi ⊢ ∅ ∪ B ⊆ B
26 22 25 sstri ⊢ if A ∩ x = ∅ ∅ B ⊆ B
27 15 26 eqsstri ⊢ A × B x ⊆ B
28 14 27 sstrdi ⊢ R ⊆ A × B → R x ⊆ B
29 4 28 syl ⊢ φ → R x ⊆ B
30 eqidd ⊢ φ → R x = R x
31 29 30 jca ⊢ φ → R x ⊆ B ∧ R x = R x
32 sseq1 ⊢ y = R x → y ⊆ B ↔ R x ⊆ B
33 eqeq2 ⊢ y = R x → R x = y ↔ R x = R x
34 32 33 anbi12d ⊢ y = R x → y ⊆ B ∧ R x = y ↔ R x ⊆ B ∧ R x = R x
35 13 31 34 spcedv ⊢ φ → ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y
36 35 biantrurd ⊢ φ → S R x = z ↔ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z
37 19.41v ⊢ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z ↔ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z
38 anass ⊢ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z ↔ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z
39 38 exbii ⊢ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z ↔ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z
40 37 39 bitr3i ⊢ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z ↔ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z
41 36 40 bitrdi ⊢ φ → S R x = z ↔ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z
42 imaeq2 ⊢ R x = y → S R x = S y
43 42 eqeq1d ⊢ R x = y → S R x = z ↔ S y = z
44 43 pm5.32i ⊢ R x = y ∧ S R x = z ↔ R x = y ∧ S y = z
45 44 bianass ⊢ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z ↔ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S y = z
46 45 biancomi ⊢ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z ↔ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
47 46 exbii ⊢ ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z ↔ ∃ y S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
48 47 a1i ⊢ φ → ∃ y y ⊆ B ∧ R x = y ∧ S R x = z ↔ ∃ y S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
49 pm4.24 ⊢ y ⊆ B ↔ y ⊆ B ∧ y ⊆ B
50 49 anbi1i ⊢ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
51 anass ⊢ y ⊆ B ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
52 50 51 bitri ⊢ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
53 52 anbi2i ⊢ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
54 an12 ⊢ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
55 53 54 bitri ⊢ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
56 55 exbii ⊢ ∃ y S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ ∃ y y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
57 56 a1i ⊢ φ → ∃ y S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ ∃ y y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
58 41 48 57 3bitrd ⊢ φ → S R x = z ↔ ∃ y y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
59 58 anbi2d ⊢ φ → x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S R x = z ↔ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ ∃ y y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
60 19.42v ⊢ ∃ y x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ ∃ y y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
61 anass ⊢ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
62 ancom ⊢ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ↔ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
63 62 bianass ⊢ x ⊆ A ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ↔ x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
64 ancom ⊢ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B
65 ancom ⊢ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ↔ y ⊆ B ∧ z ⊆ C
66 65 anbi1i ⊢ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ↔ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
67 66 anbi1i ⊢ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
68 biid ⊢ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
69 68 bianass ⊢ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
70 anass ⊢ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
71 69 70 bitr4i ⊢ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
72 anass ⊢ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
73 67 71 72 3bitr4i ⊢ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
74 anass ⊢ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ↔ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B
75 64 73 74 3bitr4i ⊢ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B
76 75 anbi2i ⊢ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ x ⊆ A ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∧ y ⊆ B
77 anass ⊢ x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ↔ x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
78 63 76 77 3bitr4i ⊢ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
79 61 78 bitri ⊢ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
80 79 exbii ⊢ ∃ y x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ ∃ y x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
81 60 80 bitr3i ⊢ x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ ∃ y y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ ∃ y x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
82 81 a1i ⊢ φ → x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ ∃ y y ⊆ B ∧ S y = z ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ↔ ∃ y x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
83 9 59 82 3bitrd ⊢ φ → x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S ∘ R x = z ↔ ∃ y x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
84 83 opabbidv ⊢ φ → x z | x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S ∘ R x = z = x z | ∃ y x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
85 bj-opabco ⊢ y z | y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∘ x y | x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y = x z | ∃ y x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y ∧ y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
86 84 85 eqtr4di ⊢ φ → x z | x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S ∘ R x = z = y z | y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∘ x y | x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
87 5 4 coss12d ⊢ φ → S ∘ R ⊆ B × C ∘ A × B
88 bj-xpcossxp ⊢ B × C ∘ A × B ⊆ A × C
89 87 88 sstrdi ⊢ φ → S ∘ R ⊆ A × C
90 1 3 89 bj-imdirval2 ⊢ φ → A 𝒫 * C ⁡ S ∘ R = x z | x ⊆ A ∧ z ⊆ C ∧ S ∘ R x = z
91 2 3 5 bj-imdirval2 ⊢ φ → B 𝒫 * C ⁡ S = y z | y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z
92 1 2 4 bj-imdirval2 ⊢ φ → A 𝒫 * B ⁡ R = x y | x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
93 91 92 coeq12d ⊢ φ → B 𝒫 * C ⁡ S ∘ A 𝒫 * B ⁡ R = y z | y ⊆ B ∧ z ⊆ C ∧ S y = z ∘ x y | x ⊆ A ∧ y ⊆ B ∧ R x = y
94 86 90 93 3eqtr4d ⊢ φ → A 𝒫 * C ⁡ S ∘ R = B 𝒫 * C ⁡ S ∘ A 𝒫 * B ⁡ R