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Theorem iscldtop

Description: A family is the closed sets of a topology iff it is a Moore collection and closed under finite union. (Contributed by Stefan O'Rear, 1-Feb-2015)

Ref Expression
Assertion iscldtop ( 𝐾 ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) ↔ ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fncld Clsd Fn Top
2 fnfun ( Clsd Fn Top → Fun Clsd )
3 1 2 ax-mp Fun Clsd
4 fvelima ( ( Fun Clsd ∧ 𝐾 ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) ) → ∃ 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 )
5 3 4 mpan ( 𝐾 ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) → ∃ 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 )
6 cldmreon ( 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) )
7 topontop ( 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → 𝑎 ∈ Top )
8 0cld ( 𝑎 ∈ Top → ∅ ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) )
9 7 8 syl ( 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → ∅ ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) )
10 uncld ( ( 𝑥 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ) → ( 𝑥𝑦 ) ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) )
11 10 adantl ( ( 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ∧ ( 𝑥 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ) ) → ( 𝑥𝑦 ) ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) )
12 11 ralrimivva ( 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → ∀ 𝑥 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∀ 𝑦 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ( 𝑥𝑦 ) ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) )
13 6 9 12 3jca ( 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∧ ∀ 𝑥 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∀ 𝑦 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ( 𝑥𝑦 ) ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ) )
14 eleq1 ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 → ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ↔ 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ) )
15 eleq2 ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 → ( ∅ ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ↔ ∅ ∈ 𝐾 ) )
16 eleq2 ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 → ( ( 𝑥𝑦 ) ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ↔ ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) )
17 16 raleqbi1dv ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 → ( ∀ 𝑦 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ( 𝑥𝑦 ) ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ↔ ∀ 𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) )
18 17 raleqbi1dv ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 → ( ∀ 𝑥 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∀ 𝑦 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ( 𝑥𝑦 ) ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ↔ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) )
19 14 15 18 3anbi123d ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 → ( ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∧ ∀ 𝑥 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ∀ 𝑦 ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ( 𝑥𝑦 ) ∈ ( Clsd ‘ 𝑎 ) ) ↔ ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) ) )
20 13 19 syl5ibcom ( 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → ( ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 → ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) ) )
21 20 rexlimiv ( ∃ 𝑎 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ( Clsd ‘ 𝑎 ) = 𝐾 → ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) )
22 5 21 syl ( 𝐾 ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) → ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) )
23 simp1 ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) → 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) )
24 simp2 ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) → ∅ ∈ 𝐾 )
25 uneq1 ( 𝑥 = 𝑏 → ( 𝑥𝑦 ) = ( 𝑏𝑦 ) )
26 25 eleq1d ( 𝑥 = 𝑏 → ( ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ↔ ( 𝑏𝑦 ) ∈ 𝐾 ) )
27 uneq2 ( 𝑦 = 𝑐 → ( 𝑏𝑦 ) = ( 𝑏𝑐 ) )
28 27 eleq1d ( 𝑦 = 𝑐 → ( ( 𝑏𝑦 ) ∈ 𝐾 ↔ ( 𝑏𝑐 ) ∈ 𝐾 ) )
29 26 28 rspc2v ( ( 𝑏𝐾𝑐𝐾 ) → ( ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 → ( 𝑏𝑐 ) ∈ 𝐾 ) )
30 29 com12 ( ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 → ( ( 𝑏𝐾𝑐𝐾 ) → ( 𝑏𝑐 ) ∈ 𝐾 ) )
31 30 3ad2ant3 ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) → ( ( 𝑏𝐾𝑐𝐾 ) → ( 𝑏𝑐 ) ∈ 𝐾 ) )
32 31 3impib ( ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) ∧ 𝑏𝐾𝑐𝐾 ) → ( 𝑏𝑐 ) ∈ 𝐾 )
33 eqid { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } = { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 }
34 23 24 32 33 mretopd ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) → ( { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ∧ 𝐾 = ( Clsd ‘ { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ) ) )
35 34 simprd ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) → 𝐾 = ( Clsd ‘ { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ) )
36 34 simpld ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) → { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) )
37 7 ssriv ( TopOn ‘ 𝐵 ) ⊆ Top
38 1 fndmi dom Clsd = Top
39 37 38 sseqtrri ( TopOn ‘ 𝐵 ) ⊆ dom Clsd
40 funfvima2 ( ( Fun Clsd ∧ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ⊆ dom Clsd ) → ( { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → ( Clsd ‘ { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ) ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) ) )
41 3 39 40 mp2an ( { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → ( Clsd ‘ { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ) ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) )
42 36 41 syl ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) → ( Clsd ‘ { 𝑎 ∈ 𝒫 𝐵 ∣ ( 𝐵𝑎 ) ∈ 𝐾 } ) ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) )
43 35 42 eqeltrd ( ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) → 𝐾 ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) )
44 22 43 impbii ( 𝐾 ∈ ( Clsd “ ( TopOn ‘ 𝐵 ) ) ↔ ( 𝐾 ∈ ( Moore ‘ 𝐵 ) ∧ ∅ ∈ 𝐾 ∧ ∀ 𝑥𝐾𝑦𝐾 ( 𝑥𝑦 ) ∈ 𝐾 ) )