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Theorem iunconnlem2

Description: The indexed union of connected overlapping subspaces sharing a common point is connected. This proof was automatically derived by completeusersproof from its Virtual Deduction proof counterpart https://us.metamath.org/other/completeusersproof/iunconlem2vd.html . As it is verified by the Metamath program, iunconnlem2 verifies https://us.metamath.org/other/completeusersproof/iunconlem2vd.html . (Contributed by Alan Sare, 22-Apr-2018) (Proof modification is discouraged.) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses iunconnlem2.1 ( 𝜓 ↔ ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
iunconnlem2.2 ( 𝜑𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) )
iunconnlem2.3 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → 𝐵𝑋 )
iunconnlem2.4 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → 𝑃𝐵 )
iunconnlem2.5 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → ( 𝐽t 𝐵 ) ∈ Conn )
Assertion iunconnlem2 ( 𝜑 → ( 𝐽t 𝑘𝐴 𝐵 ) ∈ Conn )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 iunconnlem2.1 ( 𝜓 ↔ ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
2 iunconnlem2.2 ( 𝜑𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) )
3 iunconnlem2.3 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → 𝐵𝑋 )
4 iunconnlem2.4 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → 𝑃𝐵 )
5 iunconnlem2.5 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → ( 𝐽t 𝐵 ) ∈ Conn )
6 3 ex ( 𝜑 → ( 𝑘𝐴𝐵𝑋 ) )
7 6 ralrimiv ( 𝜑 → ∀ 𝑘𝐴 𝐵𝑋 )
8 iunss ( 𝑘𝐴 𝐵𝑋 ↔ ∀ 𝑘𝐴 𝐵𝑋 )
9 8 biimpri ( ∀ 𝑘𝐴 𝐵𝑋 𝑘𝐴 𝐵𝑋 )
10 7 9 syl ( 𝜑 𝑘𝐴 𝐵𝑋 )
11 1 biimpi ( 𝜓 → ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
12 11 simprd ( 𝜓 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) )
13 simp-4r ( ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ )
14 11 13 syl ( 𝜓 → ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ )
15 n0 ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ↔ ∃ 𝑤 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) )
16 15 biimpi ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ → ∃ 𝑤 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) )
17 14 16 syl ( 𝜓 → ∃ 𝑤 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) )
18 inss2 ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ⊆ 𝑘𝐴 𝐵
19 id ( 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) → 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) )
20 18 19 sselid ( 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) → 𝑤 𝑘𝐴 𝐵 )
21 eliun ( 𝑤 𝑘𝐴 𝐵 ↔ ∃ 𝑘𝐴 𝑤𝐵 )
22 21 biimpi ( 𝑤 𝑘𝐴 𝐵 → ∃ 𝑘𝐴 𝑤𝐵 )
23 20 22 syl ( 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) → ∃ 𝑘𝐴 𝑤𝐵 )
24 rexn0 ( ∃ 𝑘𝐴 𝑤𝐵𝐴 ≠ ∅ )
25 23 24 syl ( 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) → 𝐴 ≠ ∅ )
26 25 exlimiv ( ∃ 𝑤 𝑤 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) → 𝐴 ≠ ∅ )
27 17 26 syl ( 𝜓𝐴 ≠ ∅ )
28 nfv 𝑘 ( 𝜑𝑢𝐽 )
29 nfv 𝑘 𝑣𝐽
30 28 29 nfan 𝑘 ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 )
31 nfcv 𝑘 𝑢
32 nfiu1 𝑘 𝑘𝐴 𝐵
33 31 32 nfin 𝑘 ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 )
34 nfcv 𝑘
35 33 34 nfne 𝑘 ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅
36 30 35 nfan 𝑘 ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ )
37 nfcv 𝑘 𝑣
38 37 32 nfin 𝑘 ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 )
39 38 34 nfne 𝑘 ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅
40 36 39 nfan 𝑘 ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ )
41 nfcv 𝑘 ( 𝑢𝑣 )
42 nfcv 𝑘 𝑋
43 42 32 nfdif 𝑘 ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 )
44 41 43 nfss 𝑘 ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 )
45 40 44 nfan 𝑘 ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) )
46 nfcv 𝑘 ( 𝑢𝑣 )
47 32 46 nfss 𝑘 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 )
48 45 47 nfan 𝑘 ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) )
49 1 nfbii ( Ⅎ 𝑘 𝜓 ↔ Ⅎ 𝑘 ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
50 48 49 mpbir 𝑘 𝜓
51 simp-6l ( ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝜑 )
52 11 51 syl ( 𝜓𝜑 )
53 52 4 sylan ( ( 𝜓𝑘𝐴 ) → 𝑃𝐵 )
54 53 ex ( 𝜓 → ( 𝑘𝐴𝑃𝐵 ) )
55 50 54 ralrimi ( 𝜓 → ∀ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
56 r19.2z ( ( 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 ) → ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
57 56 ancoms ( ( ∀ 𝑘𝐴 𝑃𝐵𝐴 ≠ ∅ ) → ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
58 57 ancoms ( ( 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 ) → ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
59 27 55 58 syl2anc ( 𝜓 → ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
60 eliun ( 𝑃 𝑘𝐴 𝐵 ↔ ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
61 60 biimpri ( ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵𝑃 𝑘𝐴 𝐵 )
62 59 61 syl ( 𝜓𝑃 𝑘𝐴 𝐵 )
63 12 62 sseldd ( 𝜓𝑃 ∈ ( 𝑢𝑣 ) )
64 elun ( 𝑃 ∈ ( 𝑢𝑣 ) ↔ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
65 64 biimpi ( 𝑃 ∈ ( 𝑢𝑣 ) → ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
66 63 65 syl ( 𝜓 → ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
67 1 66 sylbir ( ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
68 52 2 syl ( 𝜓𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) )
69 52 3 sylan ( ( 𝜓𝑘𝐴 ) → 𝐵𝑋 )
70 52 5 sylan ( ( 𝜓𝑘𝐴 ) → ( 𝐽t 𝐵 ) ∈ Conn )
71 simp-6r ( ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝑢𝐽 )
72 11 71 syl ( 𝜓𝑢𝐽 )
73 simp-5r ( ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝑣𝐽 )
74 11 73 syl ( 𝜓𝑣𝐽 )
75 simpllr ( ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ )
76 11 75 syl ( 𝜓 → ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ )
77 simplr ( ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) )
78 11 77 syl ( 𝜓 → ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) )
79 68 69 53 70 72 74 76 78 12 50 iunconnlem ( 𝜓 → ¬ 𝑃𝑢 )
80 incom ( 𝑣𝑢 ) = ( 𝑢𝑣 )
81 80 78 eqsstrid ( 𝜓 → ( 𝑣𝑢 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) )
82 uncom ( 𝑣𝑢 ) = ( 𝑢𝑣 )
83 12 82 sseqtrrdi ( 𝜓 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑣𝑢 ) )
84 68 69 53 70 74 72 14 81 83 50 iunconnlem ( 𝜓 → ¬ 𝑃𝑣 )
85 pm4.56 ( ( ¬ 𝑃𝑢 ∧ ¬ 𝑃𝑣 ) ↔ ¬ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
86 85 biimpi ( ( ¬ 𝑃𝑢 ∧ ¬ 𝑃𝑣 ) → ¬ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
87 86 idiALT ( ( ¬ 𝑃𝑢 ∧ ¬ 𝑃𝑣 ) → ¬ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
88 79 84 87 syl2anc ( 𝜓 → ¬ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
89 1 88 sylbir ( ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ¬ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
90 67 89 pm2.65da ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) )
91 90 ex ( ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) → ( ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
92 91 ex ( ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑣𝐽 ) ∧ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ) → ( ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ → ( ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) )
93 92 ex3 ( ( 𝜑𝑢𝐽𝑣𝐽 ) → ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ → ( ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ → ( ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) ) )
94 93 3impd ( ( 𝜑𝑢𝐽𝑣𝐽 ) → ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
95 94 3expia ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) → ( 𝑣𝐽 → ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) )
96 95 ex ( 𝜑 → ( 𝑢𝐽 → ( 𝑣𝐽 → ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) ) )
97 96 impd ( 𝜑 → ( ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) → ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) )
98 97 ralrimivv ( 𝜑 → ∀ 𝑢𝐽𝑣𝐽 ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
99 connsub ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵𝑋 ) → ( ( 𝐽t 𝑘𝐴 𝐵 ) ∈ Conn ↔ ∀ 𝑢𝐽𝑣𝐽 ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) )
100 99 biimp3ar ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵𝑋 ∧ ∀ 𝑢𝐽𝑣𝐽 ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) → ( 𝐽t 𝑘𝐴 𝐵 ) ∈ Conn )
101 2 10 98 100 syl3anc ( 𝜑 → ( 𝐽t 𝑘𝐴 𝐵 ) ∈ Conn )