Metamath Proof Explorer


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 simpr φ b B b B
21 fveq1 g = b g 1 = b 1
22 21 eqeq1d g = b g 1 = M b 1 = M
23 fveq1 g = b g M = b M
24 23 eqeq1d g = b g M = 1 b M = 1
25 22 24 anbi12d g = b g 1 = M g M = 1 b 1 = M b M = 1
26 25 8 elrab2 b B b A b 1 = M b M = 1
27 20 26 sylib φ b B b A b 1 = M b M = 1
28 27 simpld φ b B b A
29 vex b V
30 f1oeq1 f = b f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
31 fveq1 f = b f y = b y
32 31 neeq1d f = b f y y b y y
33 32 ralbidv f = b y 1 N + 1 f y y y 1 N + 1 b y y
34 30 33 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
35 29 34 3 elab2 b A b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y
36 28 35 sylib φ b B b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y
37 36 simpld φ b B b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
38 f1of1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1
39 df-f1 b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1 b : 1 N + 1 1 N + 1 Fun b -1
40 39 simprbi b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1 Fun b -1
41 37 38 40 3syl φ b B Fun b -1
42 f1ofn b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b Fn 1 N + 1
43 37 42 syl φ b B b Fn 1 N + 1
44 fnresdm b Fn 1 N + 1 b 1 N + 1 = b
45 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
46 43 44 45 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
47 37 46 mpbird φ b B b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
48 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
49 47 48 syl φ b B b 1 N + 1 : 1 N + 1 onto 1 N + 1
50 ssun2 1 M K 1 M
51 1 2 3 4 5 6 7 subfacp1lem1 φ K 1 M = K 1 M = 1 N + 1 K = N 1
52 51 simp2d φ K 1 M = 1 N + 1
53 50 52 sseqtrid φ 1 M 1 N + 1
54 53 adantr φ b B 1 M 1 N + 1
55 43 54 fnssresd φ b B b 1 M Fn 1 M
56 27 simprd φ b B b 1 = M b M = 1
57 56 simpld φ b B b 1 = M
58 6 prid2 M 1 M
59 57 58 eqeltrdi φ b B b 1 1 M
60 56 simprd φ b B b M = 1
61 1ex 1 V
62 61 prid1 1 1 M
63 60 62 eqeltrdi φ b B b M 1 M
64 fveq2 x = 1 b x = b 1
65 64 eleq1d x = 1 b x 1 M b 1 1 M
66 fveq2 x = M b x = b M
67 66 eleq1d x = M b x 1 M b M 1 M
68 61 6 65 67 ralpr x 1 M b x 1 M b 1 1 M b M 1 M
69 59 63 68 sylanbrc φ b B x 1 M b x 1 M
70 fvres x 1 M b 1 M x = b x
71 70 eleq1d x 1 M b 1 M x 1 M b x 1 M
72 71 ralbiia x 1 M b 1 M x 1 M x 1 M b x 1 M
73 69 72 sylibr φ b B x 1 M b 1 M x 1 M
74 ffnfv b 1 M : 1 M 1 M b 1 M Fn 1 M x 1 M b 1 M x 1 M
75 55 73 74 sylanbrc φ b B b 1 M : 1 M 1 M
76 fveqeq2 y = M b y = 1 b M = 1
77 76 rspcev M 1 M b M = 1 y 1 M b y = 1
78 58 60 77 sylancr φ b B y 1 M b y = 1
79 fveqeq2 y = 1 b y = M b 1 = M
80 79 rspcev 1 1 M b 1 = M y 1 M b y = M
81 62 57 80 sylancr φ b B y 1 M b y = M
82 eqeq2 x = 1 b y = x b y = 1
83 82 rexbidv x = 1 y 1 M b y = x y 1 M b y = 1
84 eqeq2 x = M b y = x b y = M
85 84 rexbidv x = M y 1 M b y = x y 1 M b y = M
86 61 6 83 85 ralpr x 1 M y 1 M b y = x y 1 M b y = 1 y 1 M b y = M
87 78 81 86 sylanbrc φ b B x 1 M y 1 M b y = x
88 eqcom x = b 1 M y b 1 M y = x
89 fvres y 1 M b 1 M y = b y
90 89 eqeq1d y 1 M b 1 M y = x b y = x
91 88 90 syl5bb y 1 M x = b 1 M y b y = x
92 91 rexbiia y 1 M x = b 1 M y y 1 M b y = x
93 92 ralbii x 1 M y 1 M x = b 1 M y x 1 M y 1 M b y = x
94 87 93 sylibr φ b B x 1 M y 1 M x = b 1 M y
95 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
96 75 94 95 sylanbrc φ b B b 1 M : 1 M onto 1 M
97 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
98 41 49 96 97 syl3anc φ b B b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M
99 uncom 1 M K = K 1 M
100 99 52 syl5eq φ 1 M K = 1 N + 1
101 incom 1 M K = K 1 M
102 51 simp1d φ K 1 M =
103 101 102 syl5eq φ 1 M K =
104 uneqdifeq 1 M 1 N + 1 1 M K = 1 M K = 1 N + 1 1 N + 1 1 M = K
105 53 103 104 syl2anc φ 1 M K = 1 N + 1 1 N + 1 1 M = K
106 100 105 mpbid φ 1 N + 1 1 M = K
107 106 adantr φ b B 1 N + 1 1 M = K
108 reseq2 1 N + 1 1 M = K b 1 N + 1 1 M = b K
109 f1oeq1 b 1 N + 1 1 M = b 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
110 108 109 syl 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
111 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
112 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
113 110 111 112 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
114 107 113 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
115 98 114 mpbid φ b B b K : K 1-1 onto K
116 ssun1 K K 1 M
117 116 52 sseqtrid φ K 1 N + 1
118 117 adantr φ b B K 1 N + 1
119 36 simprd φ b B y 1 N + 1 b y y
120 ssralv K 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y y K b y y
121 118 119 120 sylc φ b B y K b y y
122 29 resex b K V
123 f1oeq1 f = b K f : K 1-1 onto K b K : K 1-1 onto K
124 fveq1 f = b K f y = b K y
125 fvres y K b K y = b y
126 124 125 sylan9eq f = b K y K f y = b y
127 126 neeq1d f = b K y K f y y b y y
128 127 ralbidva f = b K y K f y y y K b y y
129 123 128 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
130 122 129 9 elab2 b K C b K : K 1-1 onto K y K b y y
131 115 121 130 sylanbrc φ b B b K C
132 4 adantr φ c C N
133 5 adantr φ c C M 2 N + 1
134 eqid c 1 M M 1 = c 1 M M 1
135 simpr φ c C c C
136 vex c V
137 f1oeq1 f = c f : K 1-1 onto K c : K 1-1 onto K
138 fveq1 f = c f y = c y
139 138 neeq1d f = c f y y c y y
140 139 ralbidv f = c y K f y y y K c y y
141 137 140 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
142 136 141 9 elab2 c C c : K 1-1 onto K y K c y y
143 135 142 sylib φ c C c : K 1-1 onto K y K c y y
144 143 simpld φ c C c : K 1-1 onto K
145 1 2 3 132 133 6 7 134 144 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
146 145 simp1d φ c C c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
147 1 2 3 132 133 6 7 134 144 subfacp1lem2b φ c C y K c 1 M M 1 y = c y
148 143 simprd φ c C y K c y y
149 148 r19.21bi φ c C y K c y y
150 147 149 eqnetrd φ c C y K c 1 M M 1 y y
151 150 ralrimiva φ c C y K c 1 M M 1 y y
152 145 simp2d φ c C c 1 M M 1 1 = M
153 elfzuz M 2 N + 1 M 2
154 eluz2b3 M 2 M M 1
155 154 simprbi M 2 M 1
156 5 153 155 3syl φ M 1
157 156 adantr φ c C M 1
158 152 157 eqnetrd φ c C c 1 M M 1 1 1
159 145 simp3d φ c C c 1 M M 1 M = 1
160 157 necomd φ c C 1 M
161 159 160 eqnetrd φ c C c 1 M M 1 M M
162 fveq2 y = 1 c 1 M M 1 y = c 1 M M 1 1
163 id y = 1 y = 1
164 162 163 neeq12d y = 1 c 1 M M 1 y y c 1 M M 1 1 1
165 fveq2 y = M c 1 M M 1 y = c 1 M M 1 M
166 id y = M y = M
167 165 166 neeq12d y = M c 1 M M 1 y y c 1 M M 1 M M
168 61 6 164 167 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
169 158 161 168 sylanbrc φ c C y 1 M c 1 M M 1 y y
170 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
171 151 169 170 sylanbrc φ c C y K 1 M c 1 M M 1 y y
172 52 adantr φ c C K 1 M = 1 N + 1
173 172 raleqdv φ c C y K 1 M c 1 M M 1 y y y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
174 171 173 mpbid φ c C y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
175 prex 1 M M 1 V
176 136 175 unex c 1 M M 1 V
177 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
178 fveq1 f = c 1 M M 1 f y = c 1 M M 1 y
179 178 neeq1d f = c 1 M M 1 f y y c 1 M M 1 y y
180 179 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
181 177 180 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
182 176 181 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
183 146 174 182 sylanbrc φ c C c 1 M M 1 A
184 152 159 jca φ c C c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
185 fveq1 g = c 1 M M 1 g 1 = c 1 M M 1 1
186 185 eqeq1d g = c 1 M M 1 g 1 = M c 1 M M 1 1 = M
187 fveq1 g = c 1 M M 1 g M = c 1 M M 1 M
188 187 eqeq1d g = c 1 M M 1 g M = 1 c 1 M M 1 M = 1
189 186 188 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
190 189 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
191 183 184 190 sylanbrc φ c C c 1 M M 1 B
192 57 adantrr φ b B c C b 1 = M
193 152 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 1 = M
194 192 193 eqtr4d φ b B c C b 1 = c 1 M M 1 1
195 60 adantrr φ b B c C b M = 1
196 159 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 M = 1
197 195 196 eqtr4d φ b B c C b M = c 1 M M 1 M
198 fveq2 y = 1 b y = b 1
199 198 162 eqeq12d y = 1 b y = c 1 M M 1 y b 1 = c 1 M M 1 1
200 fveq2 y = M b y = b M
201 200 165 eqeq12d y = M b y = c 1 M M 1 y b M = c 1 M M 1 M
202 61 6 199 201 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
203 194 197 202 sylanbrc φ b B c C y 1 M b y = c 1 M M 1 y
204 203 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
205 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
206 204 205 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
207 147 eqeq2d φ c C y K b y = c 1 M M 1 y b y = c y
208 207 ralbidva φ c C y K b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
209 208 adantrl φ b B c C y K b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
210 52 adantr φ b B c C K 1 M = 1 N + 1
211 210 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
212 206 209 211 3bitr3rd φ b B c C y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
213 125 eqeq2d y K c y = b K y c y = b y
214 eqcom c y = b y b y = c y
215 213 214 syl6bb y K c y = b K y b y = c y
216 215 ralbiia y K c y = b K y y K b y = c y
217 212 216 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
218 43 adantrr φ b B c C b Fn 1 N + 1
219 146 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
220 f1ofn c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 c 1 M M 1 Fn 1 N + 1
221 219 220 syl φ b B c C c 1 M M 1 Fn 1 N + 1
222 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
223 218 221 222 syl2anc φ b B c C b = c 1 M M 1 y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y
224 144 adantrl φ b B c C c : K 1-1 onto K
225 f1ofn c : K 1-1 onto K c Fn K
226 224 225 syl φ b B c C c Fn K
227 117 adantr φ b B c C K 1 N + 1
228 218 227 fnssresd φ b B c C b K Fn K
229 eqfnfv c Fn K b K Fn K c = b K y K c y = b K y
230 226 228 229 syl2anc φ b B c C c = b K y K c y = b K y
231 217 223 230 3bitr4d φ b B c C b = c 1 M M 1 c = b K
232 19 131 191 231 f1o2d φ b B b K : B 1-1 onto C
233 18 232 hasheqf1od φ B = C
234 9 fveq2i C = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
235 fzfi 2 N + 1 Fin
236 diffi 2 N + 1 Fin 2 N + 1 M Fin
237 235 236 ax-mp 2 N + 1 M Fin
238 7 237 eqeltri K Fin
239 1 derangval K Fin D K = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
240 238 239 ax-mp D K = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
241 1 2 derangen2 K Fin D K = S K
242 238 241 ax-mp D K = S K
243 234 240 242 3eqtr2ri S K = C
244 51 simp3d φ K = N 1
245 244 fveq2d φ S K = S N 1
246 243 245 syl5eqr φ C = S N 1
247 233 246 eqtrd φ B = S N 1