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Theorem catass

Description: Associativity of composition in a category. (Contributed by Mario Carneiro, 2-Jan-2017)

Ref Expression
Hypotheses catcocl.b ⊢ B = Base C
catcocl.h ⊢ H = Hom ⁡ C
catcocl.o ⊢ · ˙ = comp ⁡ C
catcocl.c ⊢ φ → C ∈ Cat
catcocl.x ⊢ φ → X ∈ B
catcocl.y ⊢ φ → Y ∈ B
catcocl.z ⊢ φ → Z ∈ B
catcocl.f ⊢ φ → F ∈ X H Y
catcocl.g ⊢ φ → G ∈ Y H Z
catass.w ⊢ φ → W ∈ B
catass.g ⊢ φ → K ∈ Z H W
Assertion catass ⊢ φ → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 catcocl.b ⊢ B = Base C
2 catcocl.h ⊢ H = Hom ⁡ C
3 catcocl.o ⊢ · ˙ = comp ⁡ C
4 catcocl.c ⊢ φ → C ∈ Cat
5 catcocl.x ⊢ φ → X ∈ B
6 catcocl.y ⊢ φ → Y ∈ B
7 catcocl.z ⊢ φ → Z ∈ B
8 catcocl.f ⊢ φ → F ∈ X H Y
9 catcocl.g ⊢ φ → G ∈ Y H Z
10 catass.w ⊢ φ → W ∈ B
11 catass.g ⊢ φ → K ∈ Z H W
12 1 2 3 iscat ⊢ C ∈ Cat → C ∈ Cat ↔ ∀ x ∈ B ∃ g ∈ x H x ∀ y ∈ B ∀ f ∈ y H x g y x · ˙ x f = f ∧ ∀ f ∈ x H y f x x · ˙ y g = f ∧ ∀ y ∈ B ∀ z ∈ B ∀ f ∈ x H y ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f
13 12 ibi ⊢ C ∈ Cat → ∀ x ∈ B ∃ g ∈ x H x ∀ y ∈ B ∀ f ∈ y H x g y x · ˙ x f = f ∧ ∀ f ∈ x H y f x x · ˙ y g = f ∧ ∀ y ∈ B ∀ z ∈ B ∀ f ∈ x H y ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f
14 4 13 syl ⊢ φ → ∀ x ∈ B ∃ g ∈ x H x ∀ y ∈ B ∀ f ∈ y H x g y x · ˙ x f = f ∧ ∀ f ∈ x H y f x x · ˙ y g = f ∧ ∀ y ∈ B ∀ z ∈ B ∀ f ∈ x H y ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f
15 6 adantr ⊢ φ ∧ x = X → Y ∈ B
16 7 ad2antrr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y → Z ∈ B
17 8 ad3antrrr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z → F ∈ X H Y
18 simpllr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z → x = X
19 simplr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z → y = Y
20 18 19 oveq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z → x H y = X H Y
21 17 20 eleqtrrd ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z → F ∈ x H y
22 9 ad4antr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F → G ∈ Y H Z
23 simpllr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F → y = Y
24 simplr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F → z = Z
25 23 24 oveq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F → y H z = Y H Z
26 22 25 eleqtrrd ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F → G ∈ y H z
27 10 ad5antr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G → W ∈ B
28 11 ad6antr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W → K ∈ Z H W
29 simp-4r ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W → z = Z
30 simpr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W → w = W
31 29 30 oveq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W → z H w = Z H W
32 28 31 eleqtrrd ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W → K ∈ z H w
33 simp-7r ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → x = X
34 simp-6r ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → y = Y
35 33 34 opeq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → x y = X Y
36 simplr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → w = W
37 35 36 oveq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → x y · ˙ w = X Y · ˙ W
38 simp-5r ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → z = Z
39 34 38 opeq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → y z = Y Z
40 39 36 oveq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → y z · ˙ w = Y Z · ˙ W
41 simpr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → k = K
42 simpllr ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → g = G
43 40 41 42 oveq123d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → k y z · ˙ w g = K Y Z · ˙ W G
44 simp-4r ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → f = F
45 37 43 44 oveq123d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F
46 33 38 opeq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → x z = X Z
47 46 36 oveq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → x z · ˙ w = X Z · ˙ W
48 35 38 oveq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → x y · ˙ z = X Y · ˙ Z
49 48 42 44 oveq123d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → g x y · ˙ z f = G X Y · ˙ Z F
50 47 41 49 oveq123d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → k x z · ˙ w g x y · ˙ z f = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
51 45 50 eqeq12d ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W ∧ k = K → k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f ↔ K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
52 32 51 rspcdv ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G ∧ w = W → ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
53 27 52 rspcimdv ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G → ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
54 53 adantld ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F ∧ g = G → g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
55 26 54 rspcimdv ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z ∧ f = F → ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
56 21 55 rspcimdv ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y ∧ z = Z → ∀ f ∈ x H y ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
57 16 56 rspcimdv ⊢ φ ∧ x = X ∧ y = Y → ∀ z ∈ B ∀ f ∈ x H y ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
58 15 57 rspcimdv ⊢ φ ∧ x = X → ∀ y ∈ B ∀ z ∈ B ∀ f ∈ x H y ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
59 58 adantld ⊢ φ ∧ x = X → ∃ g ∈ x H x ∀ y ∈ B ∀ f ∈ y H x g y x · ˙ x f = f ∧ ∀ f ∈ x H y f x x · ˙ y g = f ∧ ∀ y ∈ B ∀ z ∈ B ∀ f ∈ x H y ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
60 5 59 rspcimdv ⊢ φ → ∀ x ∈ B ∃ g ∈ x H x ∀ y ∈ B ∀ f ∈ y H x g y x · ˙ x f = f ∧ ∀ f ∈ x H y f x x · ˙ y g = f ∧ ∀ y ∈ B ∀ z ∈ B ∀ f ∈ x H y ∀ g ∈ y H z g x y · ˙ z f ∈ x H z ∧ ∀ w ∈ B ∀ k ∈ z H w k y z · ˙ w g x y · ˙ w f = k x z · ˙ w g x y · ˙ z f → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F
61 14 60 mpd ⊢ φ → K Y Z · ˙ W G X Y · ˙ W F = K X Z · ˙ W G X Y · ˙ Z F