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Theorem erdsze

Description: The Erdős-Szekeres theorem. For any injective sequence F on the reals of length at least ( R - 1 ) x. ( S - 1 ) + 1 , there is either a subsequence of length at least R on which F is increasing (i.e. a < , < order isomorphism) or a subsequence of length at least S on which F is decreasing (i.e. a < ,`' < ` order isomorphism, recalling that ` ``' < ` is the "greater than" relation). This is part of Metamath 100 proof #73. (Contributed by Mario Carneiro, 22-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses erdsze.n ⊢ φ → N ∈ ℕ
erdsze.f ⊢ φ → F : 1 … N ⟶ 1-1 ℝ
erdsze.r ⊢ φ → R ∈ ℕ
erdsze.s ⊢ φ → S ∈ ℕ
erdsze.l ⊢ φ → R − 1 ⁢ S − 1 < N
Assertion erdsze ⊢ φ → ∃ s ∈ 𝒫 1 … N R ≤ s ∧ F ↾ s Isom < , < s F s ∨ S ≤ s ∧ F ↾ s Isom < , < -1 s F s

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 erdsze.n ⊢ φ → N ∈ ℕ
2 erdsze.f ⊢ φ → F : 1 … N ⟶ 1-1 ℝ
3 erdsze.r ⊢ φ → R ∈ ℕ
4 erdsze.s ⊢ φ → S ∈ ℕ
5 erdsze.l ⊢ φ → R − 1 ⁢ S − 1 < N
6 reseq2 ⊢ w = y → F ↾ w = F ↾ y
7 isoeq1 ⊢ F ↾ w = F ↾ y → F ↾ w Isom < , < w F w ↔ F ↾ y Isom < , < w F w
8 6 7 syl ⊢ w = y → F ↾ w Isom < , < w F w ↔ F ↾ y Isom < , < w F w
9 isoeq4 ⊢ w = y → F ↾ y Isom < , < w F w ↔ F ↾ y Isom < , < y F w
10 imaeq2 ⊢ w = y → F w = F y
11 isoeq5 ⊢ F w = F y → F ↾ y Isom < , < y F w ↔ F ↾ y Isom < , < y F y
12 10 11 syl ⊢ w = y → F ↾ y Isom < , < y F w ↔ F ↾ y Isom < , < y F y
13 8 9 12 3bitrd ⊢ w = y → F ↾ w Isom < , < w F w ↔ F ↾ y Isom < , < y F y
14 elequ2 ⊢ w = y → z ∈ w ↔ z ∈ y
15 13 14 anbi12d ⊢ w = y → F ↾ w Isom < , < w F w ∧ z ∈ w ↔ F ↾ y Isom < , < y F y ∧ z ∈ y
16 15 cbvrabv ⊢ w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < w F w ∧ z ∈ w = y ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ y Isom < , < y F y ∧ z ∈ y
17 oveq2 ⊢ z = x → 1 … z = 1 … x
18 17 pweqd ⊢ z = x → 𝒫 1 … z = 𝒫 1 … x
19 elequ1 ⊢ z = x → z ∈ y ↔ x ∈ y
20 19 anbi2d ⊢ z = x → F ↾ y Isom < , < y F y ∧ z ∈ y ↔ F ↾ y Isom < , < y F y ∧ x ∈ y
21 18 20 rabeqbidv ⊢ z = x → y ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ y Isom < , < y F y ∧ z ∈ y = y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < y F y ∧ x ∈ y
22 16 21 eqtrid ⊢ z = x → w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < w F w ∧ z ∈ w = y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < y F y ∧ x ∈ y
23 22 imaeq2d ⊢ z = x → . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < w F w ∧ z ∈ w = . y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < y F y ∧ x ∈ y
24 23 supeq1d ⊢ z = x → sup . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < w F w ∧ z ∈ w ℝ < = sup . y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < y F y ∧ x ∈ y ℝ <
25 24 cbvmptv ⊢ z ∈ 1 … N ⟼ sup . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < w F w ∧ z ∈ w ℝ < = x ∈ 1 … N ⟼ sup . y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < y F y ∧ x ∈ y ℝ <
26 isoeq1 ⊢ F ↾ w = F ↾ y → F ↾ w Isom < , < -1 w F w ↔ F ↾ y Isom < , < -1 w F w
27 6 26 syl ⊢ w = y → F ↾ w Isom < , < -1 w F w ↔ F ↾ y Isom < , < -1 w F w
28 isoeq4 ⊢ w = y → F ↾ y Isom < , < -1 w F w ↔ F ↾ y Isom < , < -1 y F w
29 isoeq5 ⊢ F w = F y → F ↾ y Isom < , < -1 y F w ↔ F ↾ y Isom < , < -1 y F y
30 10 29 syl ⊢ w = y → F ↾ y Isom < , < -1 y F w ↔ F ↾ y Isom < , < -1 y F y
31 27 28 30 3bitrd ⊢ w = y → F ↾ w Isom < , < -1 w F w ↔ F ↾ y Isom < , < -1 y F y
32 31 14 anbi12d ⊢ w = y → F ↾ w Isom < , < -1 w F w ∧ z ∈ w ↔ F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ z ∈ y
33 32 cbvrabv ⊢ w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < -1 w F w ∧ z ∈ w = y ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ z ∈ y
34 19 anbi2d ⊢ z = x → F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ z ∈ y ↔ F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ x ∈ y
35 18 34 rabeqbidv ⊢ z = x → y ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ z ∈ y = y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ x ∈ y
36 33 35 eqtrid ⊢ z = x → w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < -1 w F w ∧ z ∈ w = y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ x ∈ y
37 36 imaeq2d ⊢ z = x → . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < -1 w F w ∧ z ∈ w = . y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ x ∈ y
38 37 supeq1d ⊢ z = x → sup . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < -1 w F w ∧ z ∈ w ℝ < = sup . y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ x ∈ y ℝ <
39 38 cbvmptv ⊢ z ∈ 1 … N ⟼ sup . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < -1 w F w ∧ z ∈ w ℝ < = x ∈ 1 … N ⟼ sup . y ∈ 𝒫 1 … x | F ↾ y Isom < , < -1 y F y ∧ x ∈ y ℝ <
40 eqid ⊢ n ∈ 1 … N ⟼ z ∈ 1 … N ⟼ sup . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < w F w ∧ z ∈ w ℝ < ⁡ n z ∈ 1 … N ⟼ sup . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < -1 w F w ∧ z ∈ w ℝ < ⁡ n = n ∈ 1 … N ⟼ z ∈ 1 … N ⟼ sup . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < w F w ∧ z ∈ w ℝ < ⁡ n z ∈ 1 … N ⟼ sup . w ∈ 𝒫 1 … z | F ↾ w Isom < , < -1 w F w ∧ z ∈ w ℝ < ⁡ n
41 1 2 25 39 40 3 4 5 erdszelem11 ⊢ φ → ∃ s ∈ 𝒫 1 … N R ≤ s ∧ F ↾ s Isom < , < s F s ∨ S ≤ s ∧ F ↾ s Isom < , < -1 s F s