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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 fveq2 ( 𝑖 = 1 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑖 ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) )
23 22 breq2d ( 𝑖 = 1 → ( 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑖 ) ↔ 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) ) )
24 elnnuz ( ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℕ ↔ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ( ℤ ‘ 1 ) )
25 24 biimpi ( ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℕ → ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ( ℤ ‘ 1 ) )
26 eluzfz1 ( ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ( ℤ ‘ 1 ) → 1 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
27 20 25 26 3syl ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → 1 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
28 27 adantr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 1 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
29 0le1 0 ≤ 1
30 1e0p1 1 = ( 0 + 1 )
31 29 30 breqtri 0 ≤ ( 0 + 1 )
32 1nn 1 ∈ ℕ
33 32 a1i ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → 1 ∈ ℕ )
34 1 2 3 4 5 9 33 ballotlemfp1 ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( ¬ 1 ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) − 1 ) ) ∧ ( 1 ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) ) ) )
35 34 simprd ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( 1 ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) ) )
36 35 imp ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) )
37 1m1e0 ( 1 − 1 ) = 0
38 37 fveq2i ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 )
39 38 oveq1i ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) + 1 )
40 39 a1i ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 1 − 1 ) ) + 1 ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) + 1 ) )
41 1 2 3 4 5 ballotlemfval0 ( 𝐶𝑂 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) = 0 )
42 9 41 syl ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) = 0 )
43 42 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) = 0 )
44 43 oveq1d ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 0 ) + 1 ) = ( 0 + 1 ) )
45 36 40 44 3eqtrrd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ( 0 + 1 ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) )
46 31 45 breqtrid ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) )
47 46 adantr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 1 ) )
48 23 28 47 rspcedvdw ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ∃ 𝑖 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) 0 ≤ ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑖 ) )
49 df-neg - 1 = ( 0 − 1 )
50 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 ) ) ) )
51 50 simprd ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) ) )
52 51 imp ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) )
53 11 simprd ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = 0 )
54 53 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( 𝐼𝐶 ) ) = 0 )
55 52 54 eqtr3d ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) = 0 )
56 0cnd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 0 ∈ ℂ )
57 1cnd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 1 ∈ ℂ )
58 9 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 𝐶𝑂 )
59 14 nnzd ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ℤ )
60 59 adantr ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( 𝐼𝐶 ) ∈ ℤ )
61 1zzd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → 1 ∈ ℤ )
62 60 61 zsubcld ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ∈ ℤ )
63 1 2 3 4 5 58 62 ballotlemfelz ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ∈ ℤ )
64 63 zcnd ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ∈ ℂ )
65 56 57 64 subadd2d ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 0 − 1 ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ↔ ( ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) + 1 ) = 0 ) )
66 55 65 mpbird ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( 0 − 1 ) = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
67 49 66 eqtrid ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → - 1 = ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) )
68 neg1lt0 - 1 < 0
69 67 68 eqbrtrrdi ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) < 0 )
70 69 adantlr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) < 0 )
71 1 2 3 4 5 10 21 48 70 ballotlemfcc ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ∃ 𝑘 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑘 ) = 0 )
72 1 2 3 4 5 6 7 8 ballotlemimin ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) → ¬ ∃ 𝑘 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑘 ) = 0 )
73 72 ad2antrr ( ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) ∧ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 ) → ¬ ∃ 𝑘 ∈ ( 1 ... ( ( 𝐼𝐶 ) − 1 ) ) ( ( 𝐹𝐶 ) ‘ 𝑘 ) = 0 )
74 71 73 pm2.65da ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂𝐸 ) ∧ 1 ∈ 𝐶 ) → ¬ ( 𝐼𝐶 ) ∈ 𝐶 )