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Theorem ackbijnn

Description: Translate the Ackermann bijection ackbij1 onto the positive integers. (Contributed by Mario Carneiro, 16-Jan-2015)

Ref Expression
Hypothesis ackbijnn.1 F = x 𝒫 0 Fin y x 2 y
Assertion ackbijnn F : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 0

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ackbijnn.1 F = x 𝒫 0 Fin y x 2 y
2 hashgval2 . ω = rec x V x + 1 0 ω
3 2 hashgf1o . ω : ω 1-1 onto 0
4 sneq w = y w = y
5 pweq w = y 𝒫 w = 𝒫 y
6 4 5 xpeq12d w = y w × 𝒫 w = y × 𝒫 y
7 6 cbviunv w z w × 𝒫 w = y z y × 𝒫 y
8 iuneq1 z = x y z y × 𝒫 y = y x y × 𝒫 y
9 7 8 eqtrid z = x w z w × 𝒫 w = y x y × 𝒫 y
10 9 fveq2d z = x card w z w × 𝒫 w = card y x y × 𝒫 y
11 10 cbvmptv z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w = x 𝒫 ω Fin card y x y × 𝒫 y
12 11 ackbij1 z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w : 𝒫 ω Fin 1-1 onto ω
13 f1ocnv . ω : ω 1-1 onto 0 . ω -1 : 0 1-1 onto ω
14 3 13 ax-mp . ω -1 : 0 1-1 onto ω
15 f1opwfi . ω -1 : 0 1-1 onto ω x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 𝒫 ω Fin
16 14 15 ax-mp x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 𝒫 ω Fin
17 f1oco z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w : 𝒫 ω Fin 1-1 onto ω x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 𝒫 ω Fin z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto ω
18 12 16 17 mp2an z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto ω
19 f1oco . ω : ω 1-1 onto 0 z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto ω . ω z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 0
20 3 18 19 mp2an . ω z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 0
21 inss2 𝒫 ω Fin Fin
22 f1of x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 𝒫 ω Fin x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 𝒫 ω Fin
23 16 22 ax-mp x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 𝒫 ω Fin
24 eqid x 𝒫 0 Fin . ω -1 x = x 𝒫 0 Fin . ω -1 x
25 24 fmpt x 𝒫 0 Fin . ω -1 x 𝒫 ω Fin x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 𝒫 ω Fin
26 23 25 mpbir x 𝒫 0 Fin . ω -1 x 𝒫 ω Fin
27 26 rspec x 𝒫 0 Fin . ω -1 x 𝒫 ω Fin
28 21 27 sselid x 𝒫 0 Fin . ω -1 x Fin
29 snfi w Fin
30 cnvimass . ω -1 x dom . ω
31 dmhashres dom . ω = ω
32 30 31 sseqtri . ω -1 x ω
33 onfin2 ω = On Fin
34 inss2 On Fin Fin
35 33 34 eqsstri ω Fin
36 32 35 sstri . ω -1 x Fin
37 simpr x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w . ω -1 x
38 36 37 sselid x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w Fin
39 pwfi w Fin 𝒫 w Fin
40 38 39 sylib x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x 𝒫 w Fin
41 xpfi w Fin 𝒫 w Fin w × 𝒫 w Fin
42 29 40 41 sylancr x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w Fin
43 42 ralrimiva x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w Fin
44 iunfi . ω -1 x Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w Fin
45 28 43 44 syl2anc x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w Fin
46 ficardom w . ω -1 x w × 𝒫 w Fin card w . ω -1 x w × 𝒫 w ω
47 45 46 syl x 𝒫 0 Fin card w . ω -1 x w × 𝒫 w ω
48 47 fvresd x 𝒫 0 Fin . ω card w . ω -1 x w × 𝒫 w = card w . ω -1 x w × 𝒫 w
49 hashcard w . ω -1 x w × 𝒫 w Fin card w . ω -1 x w × 𝒫 w = w . ω -1 x w × 𝒫 w
50 45 49 syl x 𝒫 0 Fin card w . ω -1 x w × 𝒫 w = w . ω -1 x w × 𝒫 w
51 xp1st z w × 𝒫 w 1 st z w
52 elsni 1 st z w 1 st z = w
53 51 52 syl z w × 𝒫 w 1 st z = w
54 53 rgen z w × 𝒫 w 1 st z = w
55 54 rgenw w . ω -1 x z w × 𝒫 w 1 st z = w
56 invdisj w . ω -1 x z w × 𝒫 w 1 st z = w Disj w . ω -1 x w × 𝒫 w
57 55 56 mp1i x 𝒫 0 Fin Disj w . ω -1 x w × 𝒫 w
58 28 42 57 hashiun x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w = w . ω -1 x w × 𝒫 w
59 sneq w = . ω -1 y w = . ω -1 y
60 pweq w = . ω -1 y 𝒫 w = 𝒫 . ω -1 y
61 59 60 xpeq12d w = . ω -1 y w × 𝒫 w = . ω -1 y × 𝒫 . ω -1 y
62 61 fveq2d w = . ω -1 y w × 𝒫 w = . ω -1 y × 𝒫 . ω -1 y
63 elinel2 x 𝒫 0 Fin x Fin
64 f1of1 . ω -1 : 0 1-1 onto ω . ω -1 : 0 1-1 ω
65 14 64 ax-mp . ω -1 : 0 1-1 ω
66 elinel1 x 𝒫 0 Fin x 𝒫 0
67 66 elpwid x 𝒫 0 Fin x 0
68 f1ores . ω -1 : 0 1-1 ω x 0 . ω -1 x : x 1-1 onto . ω -1 x
69 65 67 68 sylancr x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : x 1-1 onto . ω -1 x
70 fvres y x . ω -1 x y = . ω -1 y
71 70 adantl x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 x y = . ω -1 y
72 hashcl w × 𝒫 w Fin w × 𝒫 w 0
73 nn0cn w × 𝒫 w 0 w × 𝒫 w
74 42 72 73 3syl x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w
75 62 63 69 71 74 fsumf1o x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w = y x . ω -1 y × 𝒫 . ω -1 y
76 snfi . ω -1 y Fin
77 67 sselda x 𝒫 0 Fin y x y 0
78 f1of . ω -1 : 0 1-1 onto ω . ω -1 : 0 ω
79 14 78 ax-mp . ω -1 : 0 ω
80 79 ffvelrni y 0 . ω -1 y ω
81 77 80 syl x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 y ω
82 35 81 sselid x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 y Fin
83 pwfi . ω -1 y Fin 𝒫 . ω -1 y Fin
84 82 83 sylib x 𝒫 0 Fin y x 𝒫 . ω -1 y Fin
85 hashxp . ω -1 y Fin 𝒫 . ω -1 y Fin . ω -1 y × 𝒫 . ω -1 y = . ω -1 y 𝒫 . ω -1 y
86 76 84 85 sylancr x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 y × 𝒫 . ω -1 y = . ω -1 y 𝒫 . ω -1 y
87 hashsng . ω -1 y ω . ω -1 y = 1
88 81 87 syl x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 y = 1
89 hashpw . ω -1 y Fin 𝒫 . ω -1 y = 2 . ω -1 y
90 82 89 syl x 𝒫 0 Fin y x 𝒫 . ω -1 y = 2 . ω -1 y
91 81 fvresd x 𝒫 0 Fin y x . ω . ω -1 y = . ω -1 y
92 f1ocnvfv2 . ω : ω 1-1 onto 0 y 0 . ω . ω -1 y = y
93 3 77 92 sylancr x 𝒫 0 Fin y x . ω . ω -1 y = y
94 91 93 eqtr3d x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 y = y
95 94 oveq2d x 𝒫 0 Fin y x 2 . ω -1 y = 2 y
96 90 95 eqtrd x 𝒫 0 Fin y x 𝒫 . ω -1 y = 2 y
97 88 96 oveq12d x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 y 𝒫 . ω -1 y = 1 2 y
98 2cn 2
99 expcl 2 y 0 2 y
100 98 77 99 sylancr x 𝒫 0 Fin y x 2 y
101 100 mulid2d x 𝒫 0 Fin y x 1 2 y = 2 y
102 86 97 101 3eqtrd x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 y × 𝒫 . ω -1 y = 2 y
103 102 sumeq2dv x 𝒫 0 Fin y x . ω -1 y × 𝒫 . ω -1 y = y x 2 y
104 58 75 103 3eqtrd x 𝒫 0 Fin w . ω -1 x w × 𝒫 w = y x 2 y
105 48 50 104 3eqtrd x 𝒫 0 Fin . ω card w . ω -1 x w × 𝒫 w = y x 2 y
106 105 mpteq2ia x 𝒫 0 Fin . ω card w . ω -1 x w × 𝒫 w = x 𝒫 0 Fin y x 2 y
107 47 adantl x 𝒫 0 Fin card w . ω -1 x w × 𝒫 w ω
108 27 adantl x 𝒫 0 Fin . ω -1 x 𝒫 ω Fin
109 eqidd x 𝒫 0 Fin . ω -1 x = x 𝒫 0 Fin . ω -1 x
110 eqidd z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w = z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w
111 iuneq1 z = . ω -1 x w z w × 𝒫 w = w . ω -1 x w × 𝒫 w
112 111 fveq2d z = . ω -1 x card w z w × 𝒫 w = card w . ω -1 x w × 𝒫 w
113 108 109 110 112 fmptco z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x = x 𝒫 0 Fin card w . ω -1 x w × 𝒫 w
114 f1of . ω : ω 1-1 onto 0 . ω : ω 0
115 3 114 mp1i . ω : ω 0
116 115 feqmptd . ω = y ω . ω y
117 fveq2 y = card w . ω -1 x w × 𝒫 w . ω y = . ω card w . ω -1 x w × 𝒫 w
118 107 113 116 117 fmptco . ω z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x = x 𝒫 0 Fin . ω card w . ω -1 x w × 𝒫 w
119 118 mptru . ω z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x = x 𝒫 0 Fin . ω card w . ω -1 x w × 𝒫 w
120 106 119 1 3eqtr4i . ω z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x = F
121 f1oeq1 . ω z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x = F . ω z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 0 F : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 0
122 120 121 ax-mp . ω z 𝒫 ω Fin card w z w × 𝒫 w x 𝒫 0 Fin . ω -1 x : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 0 F : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 0
123 20 122 mpbi F : 𝒫 0 Fin 1-1 onto 0