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Theorem cfsuc

Description: Value of the cofinality function at a successor ordinal. Exercise 3 of TakeutiZaring p. 102. (Contributed by NM, 23-Apr-2004) (Revised by Mario Carneiro, 12-Feb-2013)

Ref Expression
Assertion cfsuc ⊢ A ∈ On → cf ⁡ suc ⁡ A = 1 𝑜

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 onsucb ⊢ A ∈ On ↔ suc ⁡ A ∈ On
2 cfval ⊢ suc ⁡ A ∈ On → cf ⁡ suc ⁡ A = ⋂ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
3 1 2 sylbi ⊢ A ∈ On → cf ⁡ suc ⁡ A = ⋂ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
4 cardsn ⊢ A ∈ On → card ⁡ A = 1 𝑜
5 4 eqcomd ⊢ A ∈ On → 1 𝑜 = card ⁡ A
6 snidg ⊢ A ∈ On → A ∈ A
7 elsuci ⊢ z ∈ suc ⁡ A → z ∈ A ∨ z = A
8 onelss ⊢ A ∈ On → z ∈ A → z ⊆ A
9 eqimss ⊢ z = A → z ⊆ A
10 9 a1i ⊢ A ∈ On → z = A → z ⊆ A
11 8 10 jaod ⊢ A ∈ On → z ∈ A ∨ z = A → z ⊆ A
12 7 11 syl5 ⊢ A ∈ On → z ∈ suc ⁡ A → z ⊆ A
13 sseq2 ⊢ w = A → z ⊆ w ↔ z ⊆ A
14 13 rspcev ⊢ A ∈ A ∧ z ⊆ A → ∃ w ∈ A z ⊆ w
15 6 12 14 syl6an ⊢ A ∈ On → z ∈ suc ⁡ A → ∃ w ∈ A z ⊆ w
16 15 ralrimiv ⊢ A ∈ On → ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ A z ⊆ w
17 ssun2 ⊢ A ⊆ A ∪ A
18 df-suc ⊢ suc ⁡ A = A ∪ A
19 17 18 sseqtrri ⊢ A ⊆ suc ⁡ A
20 16 19 jctil ⊢ A ∈ On → A ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ A z ⊆ w
21 snex ⊢ A ∈ V
22 fveq2 ⊢ y = A → card ⁡ y = card ⁡ A
23 22 eqeq2d ⊢ y = A → 1 𝑜 = card ⁡ y ↔ 1 𝑜 = card ⁡ A
24 sseq1 ⊢ y = A → y ⊆ suc ⁡ A ↔ A ⊆ suc ⁡ A
25 rexeq ⊢ y = A → ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∃ w ∈ A z ⊆ w
26 25 ralbidv ⊢ y = A → ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ A z ⊆ w
27 24 26 anbi12d ⊢ y = A → y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ A ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ A z ⊆ w
28 23 27 anbi12d ⊢ y = A → 1 𝑜 = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ 1 𝑜 = card ⁡ A ∧ A ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ A z ⊆ w
29 21 28 spcev ⊢ 1 𝑜 = card ⁡ A ∧ A ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ A z ⊆ w → ∃ y 1 𝑜 = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
30 5 20 29 syl2anc ⊢ A ∈ On → ∃ y 1 𝑜 = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
31 1oex ⊢ 1 𝑜 ∈ V
32 eqeq1 ⊢ x = 1 𝑜 → x = card ⁡ y ↔ 1 𝑜 = card ⁡ y
33 32 anbi1d ⊢ x = 1 𝑜 → x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ 1 𝑜 = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
34 33 exbidv ⊢ x = 1 𝑜 → ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∃ y 1 𝑜 = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
35 31 34 elab ⊢ 1 𝑜 ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∃ y 1 𝑜 = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
36 30 35 sylibr ⊢ A ∈ On → 1 𝑜 ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
37 el1o ⊢ v ∈ 1 𝑜 ↔ v = ∅
38 eqcom ⊢ ∅ = card ⁡ y ↔ card ⁡ y = ∅
39 vex ⊢ y ∈ V
40 onssnum ⊢ y ∈ V ∧ y ⊆ On → y ∈ dom ⁡ card
41 39 40 mpan ⊢ y ⊆ On → y ∈ dom ⁡ card
42 cardnueq0 ⊢ y ∈ dom ⁡ card → card ⁡ y = ∅ ↔ y = ∅
43 41 42 syl ⊢ y ⊆ On → card ⁡ y = ∅ ↔ y = ∅
44 38 43 bitrid ⊢ y ⊆ On → ∅ = card ⁡ y ↔ y = ∅
45 44 biimpa ⊢ y ⊆ On ∧ ∅ = card ⁡ y → y = ∅
46 rex0 ⊢ ¬ ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w
47 46 a1i ⊢ z ∈ suc ⁡ A → ¬ ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w
48 47 nrex ⊢ ¬ ∃ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w
49 nsuceq0 ⊢ suc ⁡ A ≠ ∅
50 r19.2z ⊢ suc ⁡ A ≠ ∅ ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w → ∃ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w
51 49 50 mpan ⊢ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w → ∃ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w
52 48 51 mto ⊢ ¬ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w
53 rexeq ⊢ y = ∅ → ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w
54 53 ralbidv ⊢ y = ∅ → ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ ∅ z ⊆ w
55 52 54 mtbiri ⊢ y = ∅ → ¬ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
56 45 55 syl ⊢ y ⊆ On ∧ ∅ = card ⁡ y → ¬ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
57 56 intnand ⊢ y ⊆ On ∧ ∅ = card ⁡ y → ¬ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
58 imnan ⊢ y ⊆ On ∧ ∅ = card ⁡ y → ¬ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ¬ y ⊆ On ∧ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
59 57 58 mpbi ⊢ ¬ y ⊆ On ∧ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
60 onsuc ⊢ A ∈ On → suc ⁡ A ∈ On
61 onss ⊢ suc ⁡ A ∈ On → suc ⁡ A ⊆ On
62 sstr ⊢ y ⊆ suc ⁡ A ∧ suc ⁡ A ⊆ On → y ⊆ On
63 61 62 sylan2 ⊢ y ⊆ suc ⁡ A ∧ suc ⁡ A ∈ On → y ⊆ On
64 60 63 sylan2 ⊢ y ⊆ suc ⁡ A ∧ A ∈ On → y ⊆ On
65 64 ancoms ⊢ A ∈ On ∧ y ⊆ suc ⁡ A → y ⊆ On
66 65 adantrr ⊢ A ∈ On ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → y ⊆ On
67 66 3adant2 ⊢ A ∈ On ∧ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → y ⊆ On
68 simp2 ⊢ A ∈ On ∧ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → ∅ = card ⁡ y
69 simp3 ⊢ A ∈ On ∧ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
70 67 68 69 jca31 ⊢ A ∈ On ∧ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → y ⊆ On ∧ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
71 70 3expib ⊢ A ∈ On → ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → y ⊆ On ∧ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
72 59 71 mtoi ⊢ A ∈ On → ¬ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
73 72 nexdv ⊢ A ∈ On → ¬ ∃ y ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
74 0ex ⊢ ∅ ∈ V
75 eqeq1 ⊢ x = ∅ → x = card ⁡ y ↔ ∅ = card ⁡ y
76 75 anbi1d ⊢ x = ∅ → x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
77 76 exbidv ⊢ x = ∅ → ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∃ y ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
78 74 77 elab ⊢ ∅ ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∃ y ∅ = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
79 73 78 sylnibr ⊢ A ∈ On → ¬ ∅ ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
80 79 adantr ⊢ A ∈ On ∧ v = ∅ → ¬ ∅ ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
81 eleq1 ⊢ v = ∅ → v ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∅ ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
82 81 adantl ⊢ A ∈ On ∧ v = ∅ → v ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ↔ ∅ ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
83 80 82 mtbird ⊢ A ∈ On ∧ v = ∅ → ¬ v ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
84 37 83 sylan2b ⊢ A ∈ On ∧ v ∈ 1 𝑜 → ¬ v ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
85 84 ralrimiva ⊢ A ∈ On → ∀ v ∈ 1 𝑜 ¬ v ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
86 cardon ⊢ card ⁡ y ∈ On
87 eleq1 ⊢ x = card ⁡ y → x ∈ On ↔ card ⁡ y ∈ On
88 86 87 mpbiri ⊢ x = card ⁡ y → x ∈ On
89 88 adantr ⊢ x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → x ∈ On
90 89 exlimiv ⊢ ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → x ∈ On
91 90 abssi ⊢ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ⊆ On
92 oneqmini ⊢ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ⊆ On → 1 𝑜 ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ∧ ∀ v ∈ 1 𝑜 ¬ v ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → 1 𝑜 = ⋂ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
93 91 92 ax-mp ⊢ 1 𝑜 ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w ∧ ∀ v ∈ 1 𝑜 ¬ v ∈ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w → 1 𝑜 = ⋂ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
94 36 85 93 syl2anc ⊢ A ∈ On → 1 𝑜 = ⋂ x | ∃ y x = card ⁡ y ∧ y ⊆ suc ⁡ A ∧ ∀ z ∈ suc ⁡ A ∃ w ∈ y z ⊆ w
95 3 94 eqtr4d ⊢ A ∈ On → cf ⁡ suc ⁡ A = 1 𝑜