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Theorem catidd

Description: Deduce the identity arrow in a category. (Contributed by Mario Carneiro, 3-Jan-2017)

Ref Expression
Hypotheses catidd.b ⊢ φ → B = Base C
catidd.h ⊢ φ → H = Hom ⁡ C
catidd.o ⊢ φ → · ˙ = comp ⁡ C
catidd.c ⊢ φ → C ∈ Cat
catidd.1 ⊢ φ ∧ x ∈ B → 1 ˙ ∈ x H x
catidd.2 ⊢ φ ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ f ∈ y H x → 1 ˙ y x · ˙ x f = f
catidd.3 ⊢ φ ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ f ∈ x H y → f x x · ˙ y 1 ˙ = f
Assertion catidd ⊢ φ → Id ⁡ C = x ∈ B ⟼ 1 ˙

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 catidd.b ⊢ φ → B = Base C
2 catidd.h ⊢ φ → H = Hom ⁡ C
3 catidd.o ⊢ φ → · ˙ = comp ⁡ C
4 catidd.c ⊢ φ → C ∈ Cat
5 catidd.1 ⊢ φ ∧ x ∈ B → 1 ˙ ∈ x H x
6 catidd.2 ⊢ φ ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ f ∈ y H x → 1 ˙ y x · ˙ x f = f
7 catidd.3 ⊢ φ ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ f ∈ x H y → f x x · ˙ y 1 ˙ = f
8 6 ex ⊢ φ → x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ f ∈ y H x → 1 ˙ y x · ˙ x f = f
9 1 eleq2d ⊢ φ → x ∈ B ↔ x ∈ Base C
10 1 eleq2d ⊢ φ → y ∈ B ↔ y ∈ Base C
11 2 oveqd ⊢ φ → y H x = y Hom ⁡ C x
12 11 eleq2d ⊢ φ → f ∈ y H x ↔ f ∈ y Hom ⁡ C x
13 9 10 12 3anbi123d ⊢ φ → x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ f ∈ y H x ↔ x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C ∧ f ∈ y Hom ⁡ C x
14 3 oveqd ⊢ φ → y x · ˙ x = y x comp ⁡ C x
15 14 oveqd ⊢ φ → 1 ˙ y x · ˙ x f = 1 ˙ y x comp ⁡ C x f
16 15 eqeq1d ⊢ φ → 1 ˙ y x · ˙ x f = f ↔ 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f
17 8 13 16 3imtr3d ⊢ φ → x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C ∧ f ∈ y Hom ⁡ C x → 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f
18 17 3expd ⊢ φ → x ∈ Base C → y ∈ Base C → f ∈ y Hom ⁡ C x → 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f
19 18 imp41 ⊢ φ ∧ x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C ∧ f ∈ y Hom ⁡ C x → 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f
20 19 ralrimiva ⊢ φ ∧ x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C → ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f
21 7 ex ⊢ φ → x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ f ∈ x H y → f x x · ˙ y 1 ˙ = f
22 2 oveqd ⊢ φ → x H y = x Hom ⁡ C y
23 22 eleq2d ⊢ φ → f ∈ x H y ↔ f ∈ x Hom ⁡ C y
24 9 10 23 3anbi123d ⊢ φ → x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ f ∈ x H y ↔ x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C ∧ f ∈ x Hom ⁡ C y
25 3 oveqd ⊢ φ → x x · ˙ y = x x comp ⁡ C y
26 25 oveqd ⊢ φ → f x x · ˙ y 1 ˙ = f x x comp ⁡ C y 1 ˙
27 26 eqeq1d ⊢ φ → f x x · ˙ y 1 ˙ = f ↔ f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
28 21 24 27 3imtr3d ⊢ φ → x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C ∧ f ∈ x Hom ⁡ C y → f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
29 28 3expd ⊢ φ → x ∈ Base C → y ∈ Base C → f ∈ x Hom ⁡ C y → f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
30 29 imp41 ⊢ φ ∧ x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C ∧ f ∈ x Hom ⁡ C y → f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
31 30 ralrimiva ⊢ φ ∧ x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C → ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
32 20 31 jca ⊢ φ ∧ x ∈ Base C ∧ y ∈ Base C → ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
33 32 ralrimiva ⊢ φ ∧ x ∈ Base C → ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
34 5 ex ⊢ φ → x ∈ B → 1 ˙ ∈ x H x
35 2 oveqd ⊢ φ → x H x = x Hom ⁡ C x
36 35 eleq2d ⊢ φ → 1 ˙ ∈ x H x ↔ 1 ˙ ∈ x Hom ⁡ C x
37 34 9 36 3imtr3d ⊢ φ → x ∈ Base C → 1 ˙ ∈ x Hom ⁡ C x
38 37 imp ⊢ φ ∧ x ∈ Base C → 1 ˙ ∈ x Hom ⁡ C x
39 eqid ⊢ Base C = Base C
40 eqid ⊢ Hom ⁡ C = Hom ⁡ C
41 eqid ⊢ comp ⁡ C = comp ⁡ C
42 4 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ Base C → C ∈ Cat
43 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ Base C → x ∈ Base C
44 39 40 41 42 43 catideu ⊢ φ ∧ x ∈ Base C → ∃! g ∈ x Hom ⁡ C x ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f
45 oveq1 ⊢ g = 1 ˙ → g y x comp ⁡ C x f = 1 ˙ y x comp ⁡ C x f
46 45 eqeq1d ⊢ g = 1 ˙ → g y x comp ⁡ C x f = f ↔ 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f
47 46 ralbidv ⊢ g = 1 ˙ → ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ↔ ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f
48 oveq2 ⊢ g = 1 ˙ → f x x comp ⁡ C y g = f x x comp ⁡ C y 1 ˙
49 48 eqeq1d ⊢ g = 1 ˙ → f x x comp ⁡ C y g = f ↔ f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
50 49 ralbidv ⊢ g = 1 ˙ → ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f ↔ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
51 47 50 anbi12d ⊢ g = 1 ˙ → ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f ↔ ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
52 51 ralbidv ⊢ g = 1 ˙ → ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f ↔ ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f
53 52 riota2 ⊢ 1 ˙ ∈ x Hom ⁡ C x ∧ ∃! g ∈ x Hom ⁡ C x ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f → ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f ↔ ι g ∈ x Hom ⁡ C x | ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f = 1 ˙
54 38 44 53 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ Base C → ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x 1 ˙ y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y 1 ˙ = f ↔ ι g ∈ x Hom ⁡ C x | ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f = 1 ˙
55 33 54 mpbid ⊢ φ ∧ x ∈ Base C → ι g ∈ x Hom ⁡ C x | ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f = 1 ˙
56 55 mpteq2dva ⊢ φ → x ∈ Base C ⟼ ι g ∈ x Hom ⁡ C x | ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f = x ∈ Base C ⟼ 1 ˙
57 eqid ⊢ Id ⁡ C = Id ⁡ C
58 39 40 41 4 57 cidfval ⊢ φ → Id ⁡ C = x ∈ Base C ⟼ ι g ∈ x Hom ⁡ C x | ∀ y ∈ Base C ∀ f ∈ y Hom ⁡ C x g y x comp ⁡ C x f = f ∧ ∀ f ∈ x Hom ⁡ C y f x x comp ⁡ C y g = f
59 1 mpteq1d ⊢ φ → x ∈ B ⟼ 1 ˙ = x ∈ Base C ⟼ 1 ˙
60 56 58 59 3eqtr4d ⊢ φ → Id ⁡ C = x ∈ B ⟼ 1 ˙