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Theorem iscnrm3llem2

Description: Lemma for iscnrm3l . If there exist disjoint open neighborhoods in the original topology for two disjoint closed sets in a subspace, then they can be separated by open neighborhoods in the subspace topology. (Could shorten proof with ssin0 .) (Contributed by Zhi Wang, 5-Sep-2024)

Ref Expression
Assertion iscnrm3llem2 ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) → ( ∃ 𝑛𝐽𝑚𝐽 ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) → ∃ 𝑙 ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) ∃ 𝑘 ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) ( 𝐶𝑙𝐷𝑘 ∧ ( 𝑙𝑘 ) = ∅ ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 sseq2 ( 𝑙 = ( 𝑛𝑍 ) → ( 𝐶𝑙𝐶 ⊆ ( 𝑛𝑍 ) ) )
2 ineq1 ( 𝑙 = ( 𝑛𝑍 ) → ( 𝑙𝑘 ) = ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ 𝑘 ) )
3 2 eqeq1d ( 𝑙 = ( 𝑛𝑍 ) → ( ( 𝑙𝑘 ) = ∅ ↔ ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ 𝑘 ) = ∅ ) )
4 1 3 3anbi13d ( 𝑙 = ( 𝑛𝑍 ) → ( ( 𝐶𝑙𝐷𝑘 ∧ ( 𝑙𝑘 ) = ∅ ) ↔ ( 𝐶 ⊆ ( 𝑛𝑍 ) ∧ 𝐷𝑘 ∧ ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ 𝑘 ) = ∅ ) ) )
5 sseq2 ( 𝑘 = ( 𝑚𝑍 ) → ( 𝐷𝑘𝐷 ⊆ ( 𝑚𝑍 ) ) )
6 ineq2 ( 𝑘 = ( 𝑚𝑍 ) → ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ 𝑘 ) = ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) )
7 6 eqeq1d ( 𝑘 = ( 𝑚𝑍 ) → ( ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ 𝑘 ) = ∅ ↔ ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) = ∅ ) )
8 5 7 3anbi23d ( 𝑘 = ( 𝑚𝑍 ) → ( ( 𝐶 ⊆ ( 𝑛𝑍 ) ∧ 𝐷𝑘 ∧ ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ 𝑘 ) = ∅ ) ↔ ( 𝐶 ⊆ ( 𝑛𝑍 ) ∧ 𝐷 ⊆ ( 𝑚𝑍 ) ∧ ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) = ∅ ) ) )
9 simp11 ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐽 ∈ Top )
10 simp121 ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽 )
11 simp2l ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝑛𝐽 )
12 elrestr ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝑛𝐽 ) → ( 𝑛𝑍 ) ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) )
13 9 10 11 12 syl3anc ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → ( 𝑛𝑍 ) ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) )
14 simp2r ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝑚𝐽 )
15 elrestr ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝑚𝐽 ) → ( 𝑚𝑍 ) ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) )
16 9 10 14 15 syl3anc ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → ( 𝑚𝑍 ) ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) )
17 simp31 ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐶𝑛 )
18 eqidd ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐽 = 𝐽 )
19 10 elpwid ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝑍 𝐽 )
20 eqidd ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → ( 𝐽t 𝑍 ) = ( 𝐽t 𝑍 ) )
21 simp122 ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) )
22 9 18 19 20 21 restcls2lem ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐶𝑍 )
23 17 22 ssind ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐶 ⊆ ( 𝑛𝑍 ) )
24 simp32 ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐷𝑚 )
25 simp123 ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) )
26 9 18 19 20 25 restcls2lem ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐷𝑍 )
27 24 26 ssind ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → 𝐷 ⊆ ( 𝑚𝑍 ) )
28 inss1 ( 𝑛𝑍 ) ⊆ 𝑛
29 inss1 ( 𝑚𝑍 ) ⊆ 𝑚
30 ss2in ( ( ( 𝑛𝑍 ) ⊆ 𝑛 ∧ ( 𝑚𝑍 ) ⊆ 𝑚 ) → ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) ⊆ ( 𝑛𝑚 ) )
31 28 29 30 mp2an ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) ⊆ ( 𝑛𝑚 )
32 simp33 ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → ( 𝑛𝑚 ) = ∅ )
33 31 32 sseqtrid ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) ⊆ ∅ )
34 ss0 ( ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) ⊆ ∅ → ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) = ∅ )
35 33 34 syl ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) = ∅ )
36 23 27 35 3jca ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → ( 𝐶 ⊆ ( 𝑛𝑍 ) ∧ 𝐷 ⊆ ( 𝑚𝑍 ) ∧ ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) = ∅ ) )
37 13 16 36 3jca ( ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) ∧ ( 𝑛𝐽𝑚𝐽 ) ∧ ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) ) → ( ( 𝑛𝑍 ) ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) ∧ ( 𝑚𝑍 ) ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) ∧ ( 𝐶 ⊆ ( 𝑛𝑍 ) ∧ 𝐷 ⊆ ( 𝑚𝑍 ) ∧ ( ( 𝑛𝑍 ) ∩ ( 𝑚𝑍 ) ) = ∅ ) ) )
38 4 8 37 iscnrm3lem7 ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ ( 𝑍 ∈ 𝒫 𝐽𝐶 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ∧ 𝐷 ∈ ( Clsd ‘ ( 𝐽t 𝑍 ) ) ) ∧ ( 𝐶𝐷 ) = ∅ ) → ( ∃ 𝑛𝐽𝑚𝐽 ( 𝐶𝑛𝐷𝑚 ∧ ( 𝑛𝑚 ) = ∅ ) → ∃ 𝑙 ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) ∃ 𝑘 ∈ ( 𝐽t 𝑍 ) ( 𝐶𝑙𝐷𝑘 ∧ ( 𝑙𝑘 ) = ∅ ) ) )