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Theorem isnrm3

Description: A topological space is normal iff any two disjoint closed sets are separated by open sets. (Contributed by Mario Carneiro, 24-Aug-2015)

Ref Expression
Assertion isnrm3 ⊢ J ∈ Nrm ↔ J ∈ Top ∧ ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nrmtop ⊢ J ∈ Nrm → J ∈ Top
2 nrmsep ⊢ J ∈ Nrm ∧ c ∈ Clsd ⁡ J ∧ d ∈ Clsd ⁡ J ∧ c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅
3 2 3exp2 ⊢ J ∈ Nrm → c ∈ Clsd ⁡ J → d ∈ Clsd ⁡ J → c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅
4 3 impd ⊢ J ∈ Nrm → c ∈ Clsd ⁡ J ∧ d ∈ Clsd ⁡ J → c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅
5 4 ralrimivv ⊢ J ∈ Nrm → ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅
6 1 5 jca ⊢ J ∈ Nrm → J ∈ Top ∧ ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅
7 simpl ⊢ J ∈ Top ∧ ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → J ∈ Top
8 simpr1 ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → c ⊆ x
9 simpr2 ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → d ⊆ y
10 sslin ⊢ d ⊆ y → cls ⁡ J ⁡ x ∩ d ⊆ cls ⁡ J ⁡ x ∩ y
11 9 10 syl ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → cls ⁡ J ⁡ x ∩ d ⊆ cls ⁡ J ⁡ x ∩ y
12 eqid ⊢ ⋃ J = ⋃ J
13 12 opncld ⊢ J ∈ Top ∧ y ∈ J → ⋃ J ∖ y ∈ Clsd ⁡ J
14 13 ad4ant13 ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → ⋃ J ∖ y ∈ Clsd ⁡ J
15 simpr3 ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → x ∩ y = ∅
16 simpllr ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → x ∈ J
17 elssuni ⊢ x ∈ J → x ⊆ ⋃ J
18 reldisj ⊢ x ⊆ ⋃ J → x ∩ y = ∅ ↔ x ⊆ ⋃ J ∖ y
19 16 17 18 3syl ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → x ∩ y = ∅ ↔ x ⊆ ⋃ J ∖ y
20 15 19 mpbid ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → x ⊆ ⋃ J ∖ y
21 12 clsss2 ⊢ ⋃ J ∖ y ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ⊆ ⋃ J ∖ y → cls ⁡ J ⁡ x ⊆ ⋃ J ∖ y
22 ssdifin0 ⊢ cls ⁡ J ⁡ x ⊆ ⋃ J ∖ y → cls ⁡ J ⁡ x ∩ y = ∅
23 21 22 syl ⊢ ⋃ J ∖ y ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ⊆ ⋃ J ∖ y → cls ⁡ J ⁡ x ∩ y = ∅
24 14 20 23 syl2anc ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → cls ⁡ J ⁡ x ∩ y = ∅
25 sseq0 ⊢ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d ⊆ cls ⁡ J ⁡ x ∩ y ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ y = ∅ → cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
26 11 24 25 syl2anc ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
27 8 26 jca ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J ∧ y ∈ J ∧ c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → c ⊆ x ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
28 27 rexlimdva2 ⊢ J ∈ Top ∧ x ∈ J → ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → c ⊆ x ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
29 28 reximdva ⊢ J ∈ Top → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → ∃ x ∈ J c ⊆ x ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
30 29 imim2d ⊢ J ∈ Top → c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J c ⊆ x ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
31 30 ralimdv ⊢ J ∈ Top → ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J c ⊆ x ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
32 31 ralimdv ⊢ J ∈ Top → ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J c ⊆ x ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
33 32 imp ⊢ J ∈ Top ∧ ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J c ⊆ x ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
34 isnrm2 ⊢ J ∈ Nrm ↔ J ∈ Top ∧ ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J c ⊆ x ∧ cls ⁡ J ⁡ x ∩ d = ∅
35 7 33 34 sylanbrc ⊢ J ∈ Top ∧ ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅ → J ∈ Nrm
36 6 35 impbii ⊢ J ∈ Nrm ↔ J ∈ Top ∧ ∀ c ∈ Clsd ⁡ J ∀ d ∈ Clsd ⁡ J c ∩ d = ∅ → ∃ x ∈ J ∃ y ∈ J c ⊆ x ∧ d ⊆ y ∧ x ∩ y = ∅