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Theorem heiborlem1

Description: Lemma for heibor . We work with a fixed open cover U throughout. The set K is the set of all subsets of X that admit no finite subcover of U . (We wish to prove that K is empty.) If a set C has no finite subcover, then any finite cover of C must contain a set that also has no finite subcover. (Contributed by Jeff Madsen, 23-Jan-2014)

Ref Expression
Hypotheses heibor.1 𝐽 = ( MetOpen ‘ 𝐷 )
heibor.3 𝐾 = { 𝑢 ∣ ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝑢 𝑣 }
heiborlem1.4 𝐵 ∈ V
Assertion heiborlem1 ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵𝐶𝐾 ) → ∃ 𝑥𝐴 𝐵𝐾 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 heibor.1 𝐽 = ( MetOpen ‘ 𝐷 )
2 heibor.3 𝐾 = { 𝑢 ∣ ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝑢 𝑣 }
3 heiborlem1.4 𝐵 ∈ V
4 sseq1 ( 𝑢 = 𝐵 → ( 𝑢 𝑣𝐵 𝑣 ) )
5 4 rexbidv ( 𝑢 = 𝐵 → ( ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝑢 𝑣 ↔ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 ) )
6 5 notbid ( 𝑢 = 𝐵 → ( ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝑢 𝑣 ↔ ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 ) )
7 3 6 2 elab2 ( 𝐵𝐾 ↔ ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 )
8 7 con2bii ( ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 ↔ ¬ 𝐵𝐾 )
9 8 ralbii ( ∀ 𝑥𝐴𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 ↔ ∀ 𝑥𝐴 ¬ 𝐵𝐾 )
10 ralnex ( ∀ 𝑥𝐴 ¬ 𝐵𝐾 ↔ ¬ ∃ 𝑥𝐴 𝐵𝐾 )
11 9 10 bitr2i ( ¬ ∃ 𝑥𝐴 𝐵𝐾 ↔ ∀ 𝑥𝐴𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 )
12 unieq ( 𝑣 = ( 𝑡𝑥 ) → 𝑣 = ( 𝑡𝑥 ) )
13 12 sseq2d ( 𝑣 = ( 𝑡𝑥 ) → ( 𝐵 𝑣𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) )
14 13 ac6sfi ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ∀ 𝑥𝐴𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 ) → ∃ 𝑡 ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) )
15 14 ex ( 𝐴 ∈ Fin → ( ∀ 𝑥𝐴𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 → ∃ 𝑡 ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) )
16 15 adantr ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) → ( ∀ 𝑥𝐴𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 → ∃ 𝑡 ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) )
17 sseq1 ( 𝑢 = 𝐶 → ( 𝑢 𝑣𝐶 𝑣 ) )
18 17 rexbidv ( 𝑢 = 𝐶 → ( ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝑢 𝑣 ↔ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐶 𝑣 ) )
19 18 notbid ( 𝑢 = 𝐶 → ( ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝑢 𝑣 ↔ ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐶 𝑣 ) )
20 19 2 elab2g ( 𝐶𝐾 → ( 𝐶𝐾 ↔ ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐶 𝑣 ) )
21 20 ibi ( 𝐶𝐾 → ¬ ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐶 𝑣 )
22 frn ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) → ran 𝑡 ⊆ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) )
23 22 ad2antrl ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡 ⊆ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) )
24 inss1 ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ⊆ 𝒫 𝑈
25 23 24 sstrdi ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡 ⊆ 𝒫 𝑈 )
26 sspwuni ( ran 𝑡 ⊆ 𝒫 𝑈 ran 𝑡𝑈 )
27 25 26 sylib ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡𝑈 )
28 vex 𝑡 ∈ V
29 28 rnex ran 𝑡 ∈ V
30 29 uniex ran 𝑡 ∈ V
31 30 elpw ( ran 𝑡 ∈ 𝒫 𝑈 ran 𝑡𝑈 )
32 27 31 sylibr ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡 ∈ 𝒫 𝑈 )
33 ffn ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) → 𝑡 Fn 𝐴 )
34 33 ad2antrl ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → 𝑡 Fn 𝐴 )
35 dffn4 ( 𝑡 Fn 𝐴𝑡 : 𝐴onto→ ran 𝑡 )
36 34 35 sylib ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → 𝑡 : 𝐴onto→ ran 𝑡 )
37 fofi ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝑡 : 𝐴onto→ ran 𝑡 ) → ran 𝑡 ∈ Fin )
38 36 37 syldan ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡 ∈ Fin )
39 inss2 ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ⊆ Fin
40 23 39 sstrdi ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡 ⊆ Fin )
41 unifi ( ( ran 𝑡 ∈ Fin ∧ ran 𝑡 ⊆ Fin ) → ran 𝑡 ∈ Fin )
42 38 40 41 syl2anc ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡 ∈ Fin )
43 32 42 elind ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) )
44 43 adantlr ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ran 𝑡 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) )
45 simplr ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 )
46 fnfvelrn ( ( 𝑡 Fn 𝐴𝑥𝐴 ) → ( 𝑡𝑥 ) ∈ ran 𝑡 )
47 33 46 sylan ( ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ 𝑥𝐴 ) → ( 𝑡𝑥 ) ∈ ran 𝑡 )
48 47 adantll ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ) ∧ 𝑥𝐴 ) → ( 𝑡𝑥 ) ∈ ran 𝑡 )
49 elssuni ( ( 𝑡𝑥 ) ∈ ran 𝑡 → ( 𝑡𝑥 ) ⊆ ran 𝑡 )
50 uniss ( ( 𝑡𝑥 ) ⊆ ran 𝑡 ( 𝑡𝑥 ) ⊆ ran 𝑡 )
51 48 49 50 3syl ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ) ∧ 𝑥𝐴 ) → ( 𝑡𝑥 ) ⊆ ran 𝑡 )
52 sstr2 ( 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) → ( ( 𝑡𝑥 ) ⊆ ran 𝑡𝐵 ran 𝑡 ) )
53 51 52 syl5com ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ) ∧ 𝑥𝐴 ) → ( 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) → 𝐵 ran 𝑡 ) )
54 53 ralimdva ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ) → ( ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) → ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ran 𝑡 ) )
55 54 impr ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ran 𝑡 )
56 iunss ( 𝑥𝐴 𝐵 ran 𝑡 ↔ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ran 𝑡 )
57 55 56 sylibr ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → 𝑥𝐴 𝐵 ran 𝑡 )
58 57 adantlr ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → 𝑥𝐴 𝐵 ran 𝑡 )
59 45 58 sstrd ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → 𝐶 ran 𝑡 )
60 unieq ( 𝑣 = ran 𝑡 𝑣 = ran 𝑡 )
61 60 sseq2d ( 𝑣 = ran 𝑡 → ( 𝐶 𝑣𝐶 ran 𝑡 ) )
62 61 rspcev ( ( ran 𝑡 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ 𝐶 ran 𝑡 ) → ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐶 𝑣 )
63 44 59 62 syl2anc ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ∃ 𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐶 𝑣 )
64 21 63 nsyl3 ( ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) ∧ ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) ) → ¬ 𝐶𝐾 )
65 64 ex ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) → ( ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) → ¬ 𝐶𝐾 ) )
66 65 exlimdv ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) → ( ∃ 𝑡 ( 𝑡 : 𝐴 ⟶ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑥𝐴 𝐵 ( 𝑡𝑥 ) ) → ¬ 𝐶𝐾 ) )
67 16 66 syld ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) → ( ∀ 𝑥𝐴𝑣 ∈ ( 𝒫 𝑈 ∩ Fin ) 𝐵 𝑣 → ¬ 𝐶𝐾 ) )
68 11 67 syl5bi ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) → ( ¬ ∃ 𝑥𝐴 𝐵𝐾 → ¬ 𝐶𝐾 ) )
69 68 con4d ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵 ) → ( 𝐶𝐾 → ∃ 𝑥𝐴 𝐵𝐾 ) )
70 69 3impia ( ( 𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐶 𝑥𝐴 𝐵𝐶𝐾 ) → ∃ 𝑥𝐴 𝐵𝐾 )