Metamath Proof Explorer


Theorem ballotlem1c

Description: If the first vote is for A, the vote on the first tie is for B. (Contributed by Thierry Arnoux, 4-Apr-2017)

Ref Expression
Hypotheses ballotth.m 𝑀 ∈ ℕ
ballotth.n 𝑁 ∈ ℕ
ballotth.o 𝑂 = { 𝑐 ∈ 𝒫 ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∣ ( ♯ ‘ 𝑐 ) = 𝑀 }
ballotth.p 𝑃 = ( 𝑥 ∈ 𝒫 𝑂 ↦ ( ( ♯ ‘ 𝑥 ) / ( ♯ ‘ 𝑂 ) ) )
ballotth.f 𝐹 = ( 𝑐𝑂 ↦ ( 𝑖 ∈ ℤ ↦ ( ( ♯ ‘ ( ( 1 ... 𝑖 ) ∩ 𝑐 ) ) − ( ♯ ‘ ( ( 1 ... 𝑖 ) ∖ 𝑐 ) ) ) ) )
ballotth.e 𝐸 = { 𝑐𝑂 ∣ ∀ 𝑖 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) 0 < ( ( 𝐹𝑐 ) ‘ 𝑖 ) }
ballotth.mgtn 𝑁 < 𝑀
ballotth.i 𝐼 = ( 𝑐 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ↦ inf ( { 𝑘 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∣ ( ( 𝐹𝑐 ) ‘ 𝑘 ) = 0 } , ℝ , < ) )
Assertion ballotlem1c ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ¬ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ballotth.m 𝑀 ∈ ℕ
2 ballotth.n 𝑁 ∈ ℕ
3 ballotth.o 𝑂 = { 𝑐 ∈ 𝒫 ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∣ ( ♯ ‘ 𝑐 ) = 𝑀 }
4 ballotth.p 𝑃 = ( 𝑥 ∈ 𝒫 𝑂 ↦ ( ( ♯ ‘ 𝑥 ) / ( ♯ ‘ 𝑂 ) ) )
5 ballotth.f 𝐹 = ( 𝑐𝑂 ↦ ( 𝑖 ∈ ℤ ↦ ( ( ♯ ‘ ( ( 1 ... 𝑖 ) ∩ 𝑐 ) ) − ( ♯ ‘ ( ( 1 ... 𝑖 ) ∖ 𝑐 ) ) ) ) )
6 ballotth.e 𝐸 = { 𝑐𝑂 ∣ ∀ 𝑖 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) 0 < ( ( 𝐹𝑐 ) ‘ 𝑖 ) }
7 ballotth.mgtn 𝑁 < 𝑀
8 ballotth.i 𝐼 = ( 𝑐 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ↦ inf ( { 𝑘 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∣ ( ( 𝐹𝑐 ) ‘ 𝑘 ) = 0 } , ℝ , < ) )
9 eldifi ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → 𝐶𝑂 )
10 9 ad2antrr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 𝐶𝑂 )
11 1 2 3 4 5 6 7 8 ballotlemiex ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( 𝐼𝐶 ) ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∧ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = 0 ) )
12 11 simpld ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) )
13 elfznn ( ( 𝐼𝐶 ) ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ℕ )
14 12 13 syl ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ℕ )
15 14 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ℕ )
16 1 2 3 4 5 6 7 8 ballotlemii ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( 𝐼𝐶 ) ≠ 1 )
17 eluz2b3 ( ( 𝐼𝐶 ) ∈ ( ℤ ‘ 2 ) ↔ ( ( 𝐼𝐶 ) ∈ ℕ ∧ ( 𝐼𝐶 ) ≠ 1 ) )
18 15 16 17 sylanbrc ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ( ℤ ‘ 2 ) )
19 uz2m1nn ( ( 𝐼𝐶 ) ∈ ( ℤ ‘ 2 ) → ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℕ )
20 18 19 syl ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℕ )
21 20 adantr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℕ )
22 elnnuz ( ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℕ ↔ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ( ℤ ‘ 1 ) )
23 22 biimpi ( ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℕ → ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ( ℤ ‘ 1 ) )
24 eluzfz1 ( ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ( ℤ ‘ 1 ) → 1 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
25 20 23 24 3syl ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → 1 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
26 25 adantr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 1 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
27 0le1 0 ≤ 1
28 1e0p1 1 = ( 0 + 1 )
29 27 28 breqtri 0 ≤ ( 0 + 1 )
30 1nn 1 ∈ ℕ
31 30 a1i ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → 1 ∈ ℕ )
32 1 2 3 4 5 9 31 ballotlemfp1 ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( ¬ 1 ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) − 1 ) ) ∧ ( 1 ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) ) ) )
33 32 simprd ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( 1 ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) ) )
34 33 imp ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) )
35 1m1e0 ( 1 − 1 ) = 0
36 35 fveq2i ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 )
37 36 oveq1i ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) + 1 )
38 37 a1i ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) + 1 ) )
39 1 2 3 4 5 ballotlemfval0 ( 𝐶𝑂 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) = 0 )
40 9 39 syl ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) = 0 )
41 40 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) = 0 )
42 41 oveq1d ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) + 1 ) = ( 0 + 1 ) )
43 34 38 42 3eqtrrd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( 0 + 1 ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) )
44 29 43 breqtrid ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) )
45 44 adantr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) )
46 fveq2 ( 𝑖 = 1 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑖 ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) )
47 46 breq2d ( 𝑖 = 1 → ( 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑖 ) ↔ 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) ) )
48 47 rspcev ( ( 1 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ∧ 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) ) → ∃ 𝑖 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑖 ) )
49 26 45 48 syl2anc ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ∃ 𝑖 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑖 ) )
50 df-neg - 1 = ( 0 − 1 )
51 1 2 3 4 5 9 14 ballotlemfp1 ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( ¬ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) − 1 ) ) ∧ ( ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) ) ) )
52 51 simprd ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) ) )
53 52 imp ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) )
54 11 simprd ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = 0 )
55 54 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = 0 )
56 53 55 eqtr3d ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) = 0 )
57 0cnd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 0 ∈ ℂ )
58 1cnd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 1 ∈ ℂ )
59 9 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 𝐶𝑂 )
60 14 nnzd ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ℤ )
61 60 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ℤ )
62 1zzd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 1 ∈ ℤ )
63 61 62 zsubcld ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℤ )
64 1 2 3 4 5 59 63 ballotlemfelz ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ∈ ℤ )
65 64 zcnd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ∈ ℂ )
66 57 58 65 subadd2d ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 0 − 1 ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ↔ ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) = 0 ) )
67 56 66 mpbird ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( 0 − 1 ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
68 50 67 syl5eq ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → - 1 = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
69 neg1lt0 - 1 < 0
70 68 69 eqbrtrrdi ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) < 0 )
71 70 adantlr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) < 0 )
72 1 2 3 4 5 10 21 49 71 ballotlemfcc ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ∃ 𝑘 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑘 ) = 0 )
73 1 2 3 4 5 6 7 8 ballotlemimin ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ¬ ∃ 𝑘 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑘 ) = 0 )
74 73 ad2antrr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ¬ ∃ 𝑘 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑘 ) = 0 )
75 72 74 pm2.65da ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ¬ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 )