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Theorem filuni

Description: The union of a nonempty set of filters with a common base and closed under pairwise union is a filter. (Contributed by Mario Carneiro, 28-Nov-2013) (Revised by Stefan O'Rear, 2-Aug-2015)

Ref Expression
Assertion filuni ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ⋃ F ∈ Fil ⁡ X

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 eluni2 ⊢ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ f ∈ F x ∈ f
2 ssel2 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ f ∈ F → f ∈ Fil ⁡ X
3 filelss ⊢ f ∈ Fil ⁡ X ∧ x ∈ f → x ⊆ X
4 3 ex ⊢ f ∈ Fil ⁡ X → x ∈ f → x ⊆ X
5 2 4 syl ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ f ∈ F → x ∈ f → x ⊆ X
6 5 rexlimdva ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X → ∃ f ∈ F x ∈ f → x ⊆ X
7 6 3ad2ant1 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∃ f ∈ F x ∈ f → x ⊆ X
8 1 7 biimtrid ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → x ∈ ⋃ F → x ⊆ X
9 8 pm4.71rd ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → x ∈ ⋃ F ↔ x ⊆ X ∧ x ∈ ⋃ F
10 ssn0 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ → Fil ⁡ X ≠ ∅
11 fvprc ⊢ ¬ X ∈ V → Fil ⁡ X = ∅
12 11 necon1ai ⊢ Fil ⁡ X ≠ ∅ → X ∈ V
13 10 12 syl ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ → X ∈ V
14 13 3adant3 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → X ∈ V
15 filtop ⊢ f ∈ Fil ⁡ X → X ∈ f
16 2 15 syl ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ f ∈ F → X ∈ f
17 16 a1d ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ f ∈ F → ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → X ∈ f
18 17 ralimdva ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X → ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∀ f ∈ F X ∈ f
19 r19.2z ⊢ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F X ∈ f → ∃ f ∈ F X ∈ f
20 19 ex ⊢ F ≠ ∅ → ∀ f ∈ F X ∈ f → ∃ f ∈ F X ∈ f
21 18 20 sylan9 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ → ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∃ f ∈ F X ∈ f
22 21 3impia ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∃ f ∈ F X ∈ f
23 eluni2 ⊢ X ∈ ⋃ F ↔ ∃ f ∈ F X ∈ f
24 22 23 sylibr ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → X ∈ ⋃ F
25 sbcel1v ⊢ [˙X / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ X ∈ ⋃ F
26 24 25 sylibr ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → [˙X / x]˙ x ∈ ⋃ F
27 0nelfil ⊢ f ∈ Fil ⁡ X → ¬ ∅ ∈ f
28 2 27 syl ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ f ∈ F → ¬ ∅ ∈ f
29 28 ralrimiva ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X → ∀ f ∈ F ¬ ∅ ∈ f
30 29 3ad2ant1 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∀ f ∈ F ¬ ∅ ∈ f
31 sbcel1v ⊢ [˙∅ / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ∅ ∈ ⋃ F
32 eluni2 ⊢ ∅ ∈ ⋃ F ↔ ∃ f ∈ F ∅ ∈ f
33 31 32 bitri ⊢ [˙∅ / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ f ∈ F ∅ ∈ f
34 33 notbii ⊢ ¬ [˙∅ / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ¬ ∃ f ∈ F ∅ ∈ f
35 ralnex ⊢ ∀ f ∈ F ¬ ∅ ∈ f ↔ ¬ ∃ f ∈ F ∅ ∈ f
36 34 35 bitr4i ⊢ ¬ [˙∅ / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ∀ f ∈ F ¬ ∅ ∈ f
37 30 36 sylibr ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ¬ [˙∅ / x]˙ x ∈ ⋃ F
38 simp13 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y → ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F
39 r19.29 ⊢ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ ∃ f ∈ F x ∈ f → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f
40 39 ex ⊢ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∃ f ∈ F x ∈ f → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f
41 38 40 syl ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y → ∃ f ∈ F x ∈ f → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f
42 simp1 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → F ⊆ Fil ⁡ X
43 simp1 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y → F ⊆ Fil ⁡ X
44 simpl ⊢ f ∈ F ∧ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → f ∈ F
45 43 44 2 syl2an ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y ∧ f ∈ F ∧ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → f ∈ Fil ⁡ X
46 simprrr ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y ∧ f ∈ F ∧ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → x ∈ f
47 simpl2 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y ∧ f ∈ F ∧ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → y ⊆ X
48 simpl3 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y ∧ f ∈ F ∧ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → x ⊆ y
49 filss ⊢ f ∈ Fil ⁡ X ∧ x ∈ f ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y → y ∈ f
50 45 46 47 48 49 syl13anc ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y ∧ f ∈ F ∧ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → y ∈ f
51 50 expr ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y ∧ f ∈ F → ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → y ∈ f
52 51 reximdva ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → ∃ f ∈ F y ∈ f
53 42 52 syl3an1 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ f → ∃ f ∈ F y ∈ f
54 41 53 syld ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y → ∃ f ∈ F x ∈ f → ∃ f ∈ F y ∈ f
55 sbcel1v ⊢ [˙x / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ x ∈ ⋃ F
56 55 1 bitri ⊢ [˙x / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ f ∈ F x ∈ f
57 sbcel1v ⊢ [˙y / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ y ∈ ⋃ F
58 eluni2 ⊢ y ∈ ⋃ F ↔ ∃ f ∈ F y ∈ f
59 57 58 bitri ⊢ [˙y / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ f ∈ F y ∈ f
60 54 56 59 3imtr4g ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ y → [˙x / x]˙ x ∈ ⋃ F → [˙y / x]˙ x ∈ ⋃ F
61 simp13 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ X → ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F
62 r19.29 ⊢ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ ∃ f ∈ F y ∈ f → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f
63 62 ex ⊢ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∃ f ∈ F y ∈ f → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f
64 61 63 syl ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ X → ∃ f ∈ F y ∈ f → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f
65 simp11 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ X → F ⊆ Fil ⁡ X
66 r19.29 ⊢ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ g
67 66 ex ⊢ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ g
68 elun1 ⊢ y ∈ f → y ∈ f ∪ g
69 elun2 ⊢ x ∈ g → x ∈ f ∪ g
70 68 69 anim12i ⊢ y ∈ f ∧ x ∈ g → y ∈ f ∪ g ∧ x ∈ f ∪ g
71 eleq2 ⊢ h = f ∪ g → y ∈ h ↔ y ∈ f ∪ g
72 eleq2 ⊢ h = f ∪ g → x ∈ h ↔ x ∈ f ∪ g
73 71 72 anbi12d ⊢ h = f ∪ g → y ∈ h ∧ x ∈ h ↔ y ∈ f ∪ g ∧ x ∈ f ∪ g
74 73 rspcev ⊢ f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f ∪ g ∧ x ∈ f ∪ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
75 70 74 sylan2 ⊢ f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f ∧ x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
76 75 an12s ⊢ y ∈ f ∧ f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
77 76 ex ⊢ y ∈ f → f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
78 77 ad2antlr ⊢ f ∈ F ∧ y ∈ f ∧ g ∈ F → f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
79 78 rexlimdva ⊢ f ∈ F ∧ y ∈ f → ∃ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
80 67 79 syl9r ⊢ f ∈ F ∧ y ∈ f → ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
81 80 impr ⊢ f ∈ F ∧ y ∈ f ∧ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
82 81 ancom2s ⊢ f ∈ F ∧ ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f → ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
83 82 rexlimiva ⊢ ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f → ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
84 83 imp ⊢ ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f ∧ ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h
85 ssel2 ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ h ∈ F → h ∈ Fil ⁡ X
86 filin ⊢ h ∈ Fil ⁡ X ∧ y ∈ h ∧ x ∈ h → y ∩ x ∈ h
87 86 3expib ⊢ h ∈ Fil ⁡ X → y ∈ h ∧ x ∈ h → y ∩ x ∈ h
88 85 87 syl ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ h ∈ F → y ∈ h ∧ x ∈ h → y ∩ x ∈ h
89 88 reximdva ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X → ∃ h ∈ F y ∈ h ∧ x ∈ h → ∃ h ∈ F y ∩ x ∈ h
90 65 84 89 syl2im ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ X → ∃ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ∈ f ∧ ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∩ x ∈ h
91 64 90 syland ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ X → ∃ f ∈ F y ∈ f ∧ ∃ g ∈ F x ∈ g → ∃ h ∈ F y ∩ x ∈ h
92 eluni2 ⊢ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ g ∈ F x ∈ g
93 55 92 bitri ⊢ [˙x / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ g ∈ F x ∈ g
94 59 93 anbi12i ⊢ [˙y / x]˙ x ∈ ⋃ F ∧ [˙x / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ f ∈ F y ∈ f ∧ ∃ g ∈ F x ∈ g
95 sbcel1v ⊢ [˙ y ∩ x / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ y ∩ x ∈ ⋃ F
96 eluni2 ⊢ y ∩ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ h ∈ F y ∩ x ∈ h
97 95 96 bitri ⊢ [˙ y ∩ x / x]˙ x ∈ ⋃ F ↔ ∃ h ∈ F y ∩ x ∈ h
98 91 94 97 3imtr4g ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F ∧ y ⊆ X ∧ x ⊆ X → [˙y / x]˙ x ∈ ⋃ F ∧ [˙x / x]˙ x ∈ ⋃ F → [˙ y ∩ x / x]˙ x ∈ ⋃ F
99 9 14 26 37 60 98 isfild ⊢ F ⊆ Fil ⁡ X ∧ F ≠ ∅ ∧ ∀ f ∈ F ∀ g ∈ F f ∪ g ∈ F → ⋃ F ∈ Fil ⁡ X