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Theorem subfacp1lem3

Description: Lemma for subfacp1 . In subfacp1lem6 we cut up the set of all derangements on 1 ... ( N + 1 ) first according to the value at 1 , and then by whether or not ( f( f1 ) ) = 1 . In this lemma, we show that the subset of all N + 1 derangements that satisfy this for fixed M = ( f1 ) is in bijection with N - 1 derangements, by simply dropping the x = 1 and x = M points from the function to get a derangement on K = ( 1 ... ( N - 1 ) ) \ { 1 , M } . (Contributed by Mario Carneiro, 23-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses derang.d D = x Fin f | f : x 1-1 onto x y x f y y
subfac.n S = n 0 D 1 n
subfacp1lem.a A = f | f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y
subfacp1lem1.n φ N
subfacp1lem1.m φ M 2 N + 1
subfacp1lem1.x M V
subfacp1lem1.k K = 2 N + 1 M
subfacp1lem3.b B = g A | g 1 = M g M = 1
subfacp1lem3.c C = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
Assertion subfacp1lem3 φ B = S N 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 derang.d D = x Fin f | f : x 1-1 onto x y x f y y
2 subfac.n S = n 0 D 1 n
3 subfacp1lem.a A = f | f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y
4 subfacp1lem1.n φ N
5 subfacp1lem1.m φ M 2 N + 1
6 subfacp1lem1.x M V
7 subfacp1lem1.k K = 2 N + 1 M
8 subfacp1lem3.b B = g A | g 1 = M g M = 1
9 subfacp1lem3.c C = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
10 fzfi 1 N + 1 Fin
11 deranglem 1 N + 1 Fin f | f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y Fin
12 10 11 ax-mp f | f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y Fin
13 3 12 eqeltri A Fin
14 8 ssrab3 B A
15 ssfi A Fin B A B Fin
16 13 14 15 mp2an B Fin
17 16 elexi B V
18 17 a1i φ B V
19 eqid b B b K = b B b K
20 fveq1 g = b g 1 = b 1
21 20 eqeq1d g = b g 1 = M b 1 = M
22 fveq1 g = b g M = b M
23 22 eqeq1d g = b g M = 1 b M = 1
24 21 23 anbi12d g = b g 1 = M g M = 1 b 1 = M b M = 1
25 24 8 elrab2 b B b A b 1 = M b M = 1
26 25 bilani φ b B b A b 1 = M b M = 1
27 26 simpld φ b B b A
28 vex b V
29 f1oeq1 f = b f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
30 fveq1 f = b f y = b y
31 30 neeq1d f = b f y y b y y
32 31 ralbidv f = b y 1 N + 1 f y y y 1 N + 1 b y y
33 29 32 anbi12d f = b f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y
34 28 33 3 elab2 b A b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y
35 27 34 sylib φ b B b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y
36 35 simpld φ b B b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
37 f1of1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1
38 df-f1 b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1 b : 1 N + 1 1 N + 1 Fun b -1
39 38 simprbi b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1 Fun b -1
40 36 37 39 3syl φ b B Fun b -1
41 f1ofn b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b Fn 1 N + 1
42 36 41 syl φ b B b Fn 1 N + 1
43 fnresdm b Fn 1 N + 1 b 1 N + 1 = b
44 f1oeq1 b 1 N + 1 = b b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
45 42 43 44 3syl φ b B b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
46 36 45 mpbird φ b B b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
47 f1ofo b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b 1 N + 1 : 1 N + 1 onto 1 N + 1
48 46 47 syl φ b B b 1 N + 1 : 1 N + 1 onto 1 N + 1
49 ssun2 1 M K 1 M
50 1 2 3 4 5 6 7 subfacp1lem1 φ K 1 M = K 1 M = 1 N + 1 K = N 1
51 50 simp2d φ K 1 M = 1 N + 1
52 49 51 sseqtrid φ 1 M 1 N + 1
53 52 adantr φ b B 1 M 1 N + 1
54 42 53 fnssresd φ b B b 1 M Fn 1 M
55 26 simprd φ b B b 1 = M b M = 1
56 55 simpld φ b B b 1 = M
57 6 prid2 M 1 M
58 56 57 eqeltrdi φ b B b 1 1 M
59 55 simprd φ b B b M = 1
60 1ex 1 V
61 60 prid1 1 1 M
62 59 61 eqeltrdi φ b B b M 1 M
63 fveq2 x = 1 b x = b 1
64 63 eleq1d x = 1 b x 1 M b 1 1 M
65 fveq2 x = M b x = b M
66 65 eleq1d x = M b x 1 M b M 1 M
67 60 6 64 66 ralpr x 1 M b x 1 M b 1 1 M b M 1 M
68 58 62 67 sylanbrc φ b B x 1 M b x 1 M
69 fvres x 1 M b 1 M x = b x
70 69 eleq1d x 1 M b 1 M x 1 M b x 1 M
71 70 ralbiia x 1 M b 1 M x 1 M x 1 M b x 1 M
72 68 71 sylibr φ b B x 1 M b 1 M x 1 M
73 ffnfv b 1 M : 1 M 1 M b 1 M Fn 1 M x 1 M b 1 M x 1 M
74 54 72 73 sylanbrc φ b B b 1 M : 1 M 1 M
75 fveqeq2 y = M b y = 1 b M = 1
76 75 rspcev M 1 M b M = 1 y 1 M b y = 1
77 57 59 76 sylancr φ b B y 1 M b y = 1
78 fveqeq2 y = 1 b y = M b 1 = M
79 78 rspcev 1 1 M b 1 = M y 1 M b y = M
80 61 56 79 sylancr φ b B y 1 M b y = M
81 eqeq2 x = 1 b y = x b y = 1
82 81 rexbidv x = 1 y 1 M b y = x y 1 M b y = 1
83 eqeq2 x = M b y = x b y = M
84 83 rexbidv x = M y 1 M b y = x y 1 M b y = M
85 60 6 82 84 ralpr x 1 M y 1 M b y = x y 1 M b y = 1 y 1 M b y = M
86 77 80 85 sylanbrc φ b B x 1 M y 1 M b y = x
87 eqcom x = b 1 M y b 1 M y = x
88 fvres y 1 M b 1 M y = b y
89 88 eqeq1d y 1 M b 1 M y = x b y = x
90 87 89 bitrid y 1 M x = b 1 M y b y = x
91 90 rexbiia y 1 M x = b 1 M y y 1 M b y = x
92 91 ralbii x 1 M y 1 M x = b 1 M y x 1 M y 1 M b y = x
93 86 92 sylibr φ b B x 1 M y 1 M x = b 1 M y
94 dffo3 b 1 M : 1 M onto 1 M b 1 M : 1 M 1 M x 1 M y 1 M x = b 1 M y
95 74 93 94 sylanbrc φ b B b 1 M : 1 M onto 1 M
96 resdif Fun b -1 b 1 N + 1 : 1 N + 1 onto 1 N + 1 b 1 M : 1 M onto 1 M b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M
97 40 48 95 96 syl3anc φ b B b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M
98 uncom 1 M K = K 1 M
99 98 51 eqtrid φ 1 M K = 1 N + 1
100 incom 1 M K = K 1 M
101 50 simp1d φ K 1 M =
102 100 101 eqtrid φ 1 M K =
103 uneqdifeq 1 M 1 N + 1 1 M K = 1 M K = 1 N + 1 1 N + 1 1 M = K
104 52 102 103 syl2anc φ 1 M K = 1 N + 1 1 N + 1 1 M = K
105 99 104 mpbid φ 1 N + 1 1 M = K
106 105 adantr φ b B 1 N + 1 1 M = K
107 reseq2 1 N + 1 1 M = K b 1 N + 1 1 M = b K
108 107 f1oeq1d 1 N + 1 1 M = K b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M
109 f1oeq2 1 N + 1 1 M = K b K : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : K 1-1 onto 1 N + 1 1 M
110 f1oeq3 1 N + 1 1 M = K b K : K 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : K 1-1 onto K
111 108 109 110 3bitrd 1 N + 1 1 M = K b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : K 1-1 onto K
112 106 111 syl φ b B b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : K 1-1 onto K
113 97 112 mpbid φ b B b K : K 1-1 onto K
114 ssun1 K K 1 M
115 114 51 sseqtrid φ K 1 N + 1
116 115 adantr φ b B K 1 N + 1
117 35 simprd φ b B y 1 N + 1 b y y
118 ssralv K 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y y K b y y
119 116 117 118 sylc φ b B y K b y y
120 28 resex b K V
121 f1oeq1 f = b K f : K 1-1 onto K b K : K 1-1 onto K
122 fveq1 f = b K f y = b K y
123 fvres y K b K y = b y
124 122 123 sylan9eq f = b K y K f y = b y
125 124 neeq1d f = b K y K f y y b y y
126 125 ralbidva f = b K y K f y y y K b y y
127 121 126 anbi12d f = b K f : K 1-1 onto K y K f y y b K : K 1-1 onto K y K b y y
128 120 127 9 elab2 b K C b K : K 1-1 onto K y K b y y
129 113 119 128 sylanbrc φ b B b K C
130 4 adantr φ c C N
131 5 adantr φ c C M 2 N + 1
132 eqid c 1 M M 1 = c 1 M M 1
133 vex c V
134 f1oeq1 f = c f : K 1-1 onto K c : K 1-1 onto K
135 fveq1 f = c f y = c y
136 135 neeq1d f = c f y y c y y
137 136 ralbidv f = c y K f y y y K c y y
138 134 137 anbi12d f = c f : K 1-1 onto K y K f y y c : K 1-1 onto K y K c y y
139 133 138 9 elab2 c C c : K 1-1 onto K y K c y y
140 139 bilani φ c C c : K 1-1 onto K y K c y y
141 140 simpld φ c C c : K 1-1 onto K
142 1 2 3 130 131 6 7 132 141 subfacp1lem2a φ c C c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
143 142 simp1d φ c C c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
144 1 2 3 130 131 6 7 132 141 subfacp1lem2b φ c C y K c 1 M M 1 y = c y
145 140 simprd φ c C y K c y y
146 145 r19.21bi φ c C y K c y y
147 144 146 eqnetrd φ c C y K c 1 M M 1 y y
148 147 ralrimiva φ c C y K c 1 M M 1 y y
149 142 simp2d φ c C c 1 M M 1 1 = M
150 elfzuz M 2 N + 1 M 2
151 eluz2b3 M 2 M M 1
152 151 simprbi M 2 M 1
153 5 150 152 3syl φ M 1
154 153 adantr φ c C M 1
155 149 154 eqnetrd φ c C c 1 M M 1 1 1
156 142 simp3d φ c C c 1 M M 1 M = 1
157 154 necomd φ c C 1 M
158 156 157 eqnetrd φ c C c 1 M M 1 M M
159 fveq2 y = 1 c 1 M M 1 y = c 1 M M 1 1
160 id y = 1 y = 1
161 159 160 neeq12d y = 1 c 1 M M 1 y y c 1 M M 1 1 1
162 fveq2 y = M c 1 M M 1 y = c 1 M M 1 M
163 id y = M y = M
164 162 163 neeq12d y = M c 1 M M 1 y y c 1 M M 1 M M
165 60 6 161 164 ralpr y 1 M c 1 M M 1 y y c 1 M M 1 1 1 c 1 M M 1 M M
166 155 158 165 sylanbrc φ c C y 1 M c 1 M M 1 y y
167 ralunb y K 1 M c 1 M M 1 y y y K c 1 M M 1 y y y 1 M c 1 M M 1 y y
168 148 166 167 sylanbrc φ c C y K 1 M c 1 M M 1 y y
169 51 adantr φ c C K 1 M = 1 N + 1
170 168 169 raleqtrdv φ c C y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
171 prex 1 M M 1 V
172 133 171 unex c 1 M M 1 V
173 f1oeq1 f = c 1 M M 1 f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
174 fveq1 f = c 1 M M 1 f y = c 1 M M 1 y
175 174 neeq1d f = c 1 M M 1 f y y c 1 M M 1 y y
176 175 ralbidv f = c 1 M M 1 y 1 N + 1 f y y y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
177 173 176 anbi12d f = c 1 M M 1 f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
178 172 177 3 elab2 c 1 M M 1 A c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
179 143 170 178 sylanbrc φ c C c 1 M M 1 A
180 149 156 jca φ c C c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
181 fveq1 g = c 1 M M 1 g 1 = c 1 M M 1 1
182 181 eqeq1d g = c 1 M M 1 g 1 = M c 1 M M 1 1 = M
183 fveq1 g = c 1 M M 1 g M = c 1 M M 1 M
184 183 eqeq1d g = c 1 M M 1 g M = 1 c 1 M M 1 M = 1
185 182 184 anbi12d g = c 1 M M 1 g 1 = M g M = 1 c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
186 185 8 elrab2 c 1 M M 1 B c 1 M M 1 A c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
187 179 180 186 sylanbrc φ c C c 1 M M 1 B
188 56 adantrr φ b B c C b 1 = M
189 149 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 1 = M
190 188 189 eqtr4d φ b B c C b 1 = c 1 M M 1 1
191 59 adantrr φ b B c C b M = 1
192 156 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 M = 1
193 191 192 eqtr4d φ b B c C b M = c 1 M M 1 M
194 fveq2 y = 1 b y = b 1
195 194 159 eqeq12d y = 1 b y = c 1 M M 1 y b 1 = c 1 M M 1 1
196 fveq2 y = M b y = b M
197 196 162 eqeq12d y = M b y = c 1 M M 1 y b M = c 1 M M 1 M
198 60 6 195 197 ralpr y 1 M b y = c 1 M M 1 y b 1 = c 1 M M 1 1 b M = c 1 M M 1 M
199 190 193 198 sylanbrc φ b B c C y 1 M b y = c 1 M M 1 y
200 199 biantrud φ b B c C y K b y = c 1 M M 1 y y K b y = c 1 M M 1 y y 1 M b y = c 1 M M 1 y
201 ralunb y K 1 M b y = c 1 M M 1 y y K b y = c 1 M M 1 y y 1 M b y = c 1 M M 1 y
202 200 201 bitr4di φ b B c C y K b y = c 1 M M 1 y y K 1 M b y = c 1 M M 1 y
203 144 eqeq2d φ c C y K b y = c 1 M M 1 y b y = c y
204 203 ralbidva φ c C y K b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
205 204 adantrl φ b B c C y K b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
206 51 adantr φ b B c C K 1 M = 1 N + 1
207 206 raleqdv φ b B c C y K 1 M b y = c 1 M M 1 y y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y
208 202 205 207 3bitr3rd φ b B c C y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
209 123 eqeq2d y K c y = b K y c y = b y
210 eqcom c y = b y b y = c y
211 209 210 bitrdi y K c y = b K y b y = c y
212 211 ralbiia y K c y = b K y y K b y = c y
213 208 212 bitr4di φ b B c C y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y y K c y = b K y
214 42 adantrr φ b B c C b Fn 1 N + 1
215 143 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
216 f1ofn c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 c 1 M M 1 Fn 1 N + 1
217 215 216 syl φ b B c C c 1 M M 1 Fn 1 N + 1
218 eqfnfv b Fn 1 N + 1 c 1 M M 1 Fn 1 N + 1 b = c 1 M M 1 y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y
219 214 217 218 syl2anc φ b B c C b = c 1 M M 1 y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y
220 141 adantrl φ b B c C c : K 1-1 onto K
221 f1ofn c : K 1-1 onto K c Fn K
222 220 221 syl φ b B c C c Fn K
223 115 adantr φ b B c C K 1 N + 1
224 214 223 fnssresd φ b B c C b K Fn K
225 eqfnfv c Fn K b K Fn K c = b K y K c y = b K y
226 222 224 225 syl2anc φ b B c C c = b K y K c y = b K y
227 213 219 226 3bitr4d φ b B c C b = c 1 M M 1 c = b K
228 19 129 187 227 f1o2d φ b B b K : B 1-1 onto C
229 18 228 hasheqf1od φ B = C
230 9 fveq2i C = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
231 fzfi 2 N + 1 Fin
232 diffi 2 N + 1 Fin 2 N + 1 M Fin
233 231 232 ax-mp 2 N + 1 M Fin
234 7 233 eqeltri K Fin
235 1 derangval K Fin D K = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
236 234 235 ax-mp D K = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
237 1 2 derangen2 K Fin D K = S K
238 234 237 ax-mp D K = S K
239 230 236 238 3eqtr2ri S K = C
240 50 simp3d φ K = N 1
241 240 fveq2d φ S K = S N 1
242 239 241 eqtr3id φ C = S N 1
243 229 242 eqtrd φ B = S N 1