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Theorem cfinufil

Description: An ultrafilter is free iff it contains the Fréchet filter cfinfil as a subset. (Contributed by NM, 14-Jul-2008) (Revised by Stefan O'Rear, 2-Aug-2015)

Ref Expression
Assertion cfinufil ⊢ F ∈ UFil ⁡ X → ⋂ F = ∅ ↔ x ∈ 𝒫 X | X ∖ x ∈ Fin ⊆ F

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 elpwi ⊢ x ∈ 𝒫 X → x ⊆ X
2 ufilb ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X → ¬ x ∈ F ↔ X ∖ x ∈ F
3 2 adantr ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X ∧ X ∖ x ∈ Fin → ¬ x ∈ F ↔ X ∖ x ∈ F
4 ufilfil ⊢ F ∈ UFil ⁡ X → F ∈ Fil ⁡ X
5 4 adantr ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X → F ∈ Fil ⁡ X
6 filfinnfr ⊢ F ∈ Fil ⁡ X ∧ X ∖ x ∈ F ∧ X ∖ x ∈ Fin → ⋂ F ≠ ∅
7 6 3exp ⊢ F ∈ Fil ⁡ X → X ∖ x ∈ F → X ∖ x ∈ Fin → ⋂ F ≠ ∅
8 7 com23 ⊢ F ∈ Fil ⁡ X → X ∖ x ∈ Fin → X ∖ x ∈ F → ⋂ F ≠ ∅
9 5 8 syl ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X → X ∖ x ∈ Fin → X ∖ x ∈ F → ⋂ F ≠ ∅
10 9 imp ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X ∧ X ∖ x ∈ Fin → X ∖ x ∈ F → ⋂ F ≠ ∅
11 3 10 sylbid ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X ∧ X ∖ x ∈ Fin → ¬ x ∈ F → ⋂ F ≠ ∅
12 11 necon4bd ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X ∧ X ∖ x ∈ Fin → ⋂ F = ∅ → x ∈ F
13 12 ex ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X → X ∖ x ∈ Fin → ⋂ F = ∅ → x ∈ F
14 13 com23 ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ⊆ X → ⋂ F = ∅ → X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F
15 1 14 sylan2 ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ∈ 𝒫 X → ⋂ F = ∅ → X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F
16 15 ralrimdva ⊢ F ∈ UFil ⁡ X → ⋂ F = ∅ → ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F
17 4 adantr ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → F ∈ Fil ⁡ X
18 uffixsn ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → y ∈ F
19 filelss ⊢ F ∈ Fil ⁡ X ∧ y ∈ F → y ⊆ X
20 17 18 19 syl2anc ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → y ⊆ X
21 dfss4 ⊢ y ⊆ X ↔ X ∖ X ∖ y = y
22 20 21 sylib ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → X ∖ X ∖ y = y
23 snfi ⊢ y ∈ Fin
24 22 23 eqeltrdi ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → X ∖ X ∖ y ∈ Fin
25 difss ⊢ X ∖ y ⊆ X
26 filtop ⊢ F ∈ Fil ⁡ X → X ∈ F
27 elpw2g ⊢ X ∈ F → X ∖ y ∈ 𝒫 X ↔ X ∖ y ⊆ X
28 17 26 27 3syl ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → X ∖ y ∈ 𝒫 X ↔ X ∖ y ⊆ X
29 25 28 mpbiri ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → X ∖ y ∈ 𝒫 X
30 difeq2 ⊢ x = X ∖ y → X ∖ x = X ∖ X ∖ y
31 30 eleq1d ⊢ x = X ∖ y → X ∖ x ∈ Fin ↔ X ∖ X ∖ y ∈ Fin
32 eleq1 ⊢ x = X ∖ y → x ∈ F ↔ X ∖ y ∈ F
33 31 32 imbi12d ⊢ x = X ∖ y → X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F ↔ X ∖ X ∖ y ∈ Fin → X ∖ y ∈ F
34 33 rspcv ⊢ X ∖ y ∈ 𝒫 X → ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F → X ∖ X ∖ y ∈ Fin → X ∖ y ∈ F
35 29 34 syl ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F → X ∖ X ∖ y ∈ Fin → X ∖ y ∈ F
36 24 35 mpid ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F → X ∖ y ∈ F
37 ufilb ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ⊆ X → ¬ y ∈ F ↔ X ∖ y ∈ F
38 20 37 syldan ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → ¬ y ∈ F ↔ X ∖ y ∈ F
39 18 pm2.24d ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → ¬ y ∈ F → ¬ y ∈ ⋂ F
40 38 39 sylbird ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → X ∖ y ∈ F → ¬ y ∈ ⋂ F
41 36 40 syld ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ y ∈ ⋂ F → ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F → ¬ y ∈ ⋂ F
42 41 impancom ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F → y ∈ ⋂ F → ¬ y ∈ ⋂ F
43 42 pm2.01d ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F → ¬ y ∈ ⋂ F
44 43 eq0rdv ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F → ⋂ F = ∅
45 44 ex ⊢ F ∈ UFil ⁡ X → ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F → ⋂ F = ∅
46 16 45 impbid ⊢ F ∈ UFil ⁡ X → ⋂ F = ∅ ↔ ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F
47 rabss ⊢ x ∈ 𝒫 X | X ∖ x ∈ Fin ⊆ F ↔ ∀ x ∈ 𝒫 X X ∖ x ∈ Fin → x ∈ F
48 46 47 bitr4di ⊢ F ∈ UFil ⁡ X → ⋂ F = ∅ ↔ x ∈ 𝒫 X | X ∖ x ∈ Fin ⊆ F