Metamath Proof Explorer


Theorem fin1aufil

Description: There are no definable free ultrafilters in ZFC. However, there are free ultrafilters in some choice-denying constructions. Here we show that given an amorphous set (a.k.a. a Ia-finite I-infinite set) X , the set of infinite subsets of X is a free ultrafilter on X . (Contributed by Mario Carneiro, 20-May-2015)

Ref Expression
Hypothesis fin1aufil.1 ⊢ F = 𝒫 X ∖ Fin
Assertion fin1aufil ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → F ∈ UFil ⁡ X ∧ ⋂ F = ∅

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fin1aufil.1 ⊢ F = 𝒫 X ∖ Fin
2 1 eleq2i ⊢ x ∈ F ↔ x ∈ 𝒫 X ∖ Fin
3 eldif ⊢ x ∈ 𝒫 X ∖ Fin ↔ x ∈ 𝒫 X ∧ ¬ x ∈ Fin
4 velpw ⊢ x ∈ 𝒫 X ↔ x ⊆ X
5 4 anbi1i ⊢ x ∈ 𝒫 X ∧ ¬ x ∈ Fin ↔ x ⊆ X ∧ ¬ x ∈ Fin
6 2 3 5 3bitri ⊢ x ∈ F ↔ x ⊆ X ∧ ¬ x ∈ Fin
7 6 a1i ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → x ∈ F ↔ x ⊆ X ∧ ¬ x ∈ Fin
8 id ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → X ∈ FinIa ∖ Fin
9 eldifn ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → ¬ X ∈ Fin
10 eleq1 ⊢ x = X → x ∈ Fin ↔ X ∈ Fin
11 10 notbid ⊢ x = X → ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ X ∈ Fin
12 11 sbcieg ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → [˙X / x]˙ ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ X ∈ Fin
13 9 12 mpbird ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → [˙X / x]˙ ¬ x ∈ Fin
14 0fi ⊢ ∅ ∈ Fin
15 0ex ⊢ ∅ ∈ V
16 eleq1 ⊢ x = ∅ → x ∈ Fin ↔ ∅ ∈ Fin
17 16 notbid ⊢ x = ∅ → ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ ∅ ∈ Fin
18 15 17 sbcie ⊢ [˙∅ / x]˙ ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ ∅ ∈ Fin
19 18 con2bii ⊢ ∅ ∈ Fin ↔ ¬ [˙∅ / x]˙ ¬ x ∈ Fin
20 14 19 mpbi ⊢ ¬ [˙∅ / x]˙ ¬ x ∈ Fin
21 20 a1i ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → ¬ [˙∅ / x]˙ ¬ x ∈ Fin
22 ssfi ⊢ y ∈ Fin ∧ z ⊆ y → z ∈ Fin
23 22 expcom ⊢ z ⊆ y → y ∈ Fin → z ∈ Fin
24 23 3ad2ant3 ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ y → y ∈ Fin → z ∈ Fin
25 24 con3d ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ y → ¬ z ∈ Fin → ¬ y ∈ Fin
26 vex ⊢ z ∈ V
27 eleq1 ⊢ x = z → x ∈ Fin ↔ z ∈ Fin
28 27 notbid ⊢ x = z → ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ z ∈ Fin
29 26 28 sbcie ⊢ [˙z / x]˙ ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ z ∈ Fin
30 vex ⊢ y ∈ V
31 eleq1 ⊢ x = y → x ∈ Fin ↔ y ∈ Fin
32 31 notbid ⊢ x = y → ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ y ∈ Fin
33 30 32 sbcie ⊢ [˙y / x]˙ ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ y ∈ Fin
34 25 29 33 3imtr4g ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ y → [˙z / x]˙ ¬ x ∈ Fin → [˙y / x]˙ ¬ x ∈ Fin
35 eldifi ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → X ∈ FinIa
36 fin1ai ⊢ X ∈ FinIa ∧ y ⊆ X → y ∈ Fin ∨ X ∖ y ∈ Fin
37 35 36 sylan ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X → y ∈ Fin ∨ X ∖ y ∈ Fin
38 37 3adant3 ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X → y ∈ Fin ∨ X ∖ y ∈ Fin
39 inundif ⊢ z ∩ y ∪ z ∖ y = z
40 incom ⊢ z ∩ y = y ∩ z
41 simprl ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin ∧ X ∖ y ∈ Fin → y ∩ z ∈ Fin
42 40 41 eqeltrid ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin ∧ X ∖ y ∈ Fin → z ∩ y ∈ Fin
43 simprr ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin ∧ X ∖ y ∈ Fin → X ∖ y ∈ Fin
44 simpl3 ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin ∧ X ∖ y ∈ Fin → z ⊆ X
45 44 ssdifd ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin ∧ X ∖ y ∈ Fin → z ∖ y ⊆ X ∖ y
46 43 45 ssfid ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin ∧ X ∖ y ∈ Fin → z ∖ y ∈ Fin
47 unfi ⊢ z ∩ y ∈ Fin ∧ z ∖ y ∈ Fin → z ∩ y ∪ z ∖ y ∈ Fin
48 42 46 47 syl2anc ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin ∧ X ∖ y ∈ Fin → z ∩ y ∪ z ∖ y ∈ Fin
49 39 48 eqeltrrid ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin ∧ X ∖ y ∈ Fin → z ∈ Fin
50 49 expr ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin → X ∖ y ∈ Fin → z ∈ Fin
51 50 orim2d ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X ∧ y ∩ z ∈ Fin → y ∈ Fin ∨ X ∖ y ∈ Fin → y ∈ Fin ∨ z ∈ Fin
52 51 ex ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X → y ∩ z ∈ Fin → y ∈ Fin ∨ X ∖ y ∈ Fin → y ∈ Fin ∨ z ∈ Fin
53 38 52 mpid ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X → y ∩ z ∈ Fin → y ∈ Fin ∨ z ∈ Fin
54 53 con3d ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X → ¬ y ∈ Fin ∨ z ∈ Fin → ¬ y ∩ z ∈ Fin
55 33 29 anbi12i ⊢ [˙y / x]˙ ¬ x ∈ Fin ∧ [˙z / x]˙ ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ y ∈ Fin ∧ ¬ z ∈ Fin
56 ioran ⊢ ¬ y ∈ Fin ∨ z ∈ Fin ↔ ¬ y ∈ Fin ∧ ¬ z ∈ Fin
57 55 56 bitr4i ⊢ [˙y / x]˙ ¬ x ∈ Fin ∧ [˙z / x]˙ ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ y ∈ Fin ∨ z ∈ Fin
58 30 inex1 ⊢ y ∩ z ∈ V
59 eleq1 ⊢ x = y ∩ z → x ∈ Fin ↔ y ∩ z ∈ Fin
60 59 notbid ⊢ x = y ∩ z → ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ y ∩ z ∈ Fin
61 58 60 sbcie ⊢ [˙ y ∩ z / x]˙ ¬ x ∈ Fin ↔ ¬ y ∩ z ∈ Fin
62 54 57 61 3imtr4g ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ y ⊆ X ∧ z ⊆ X → [˙y / x]˙ ¬ x ∈ Fin ∧ [˙z / x]˙ ¬ x ∈ Fin → [˙ y ∩ z / x]˙ ¬ x ∈ Fin
63 7 8 13 21 34 62 isfild ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → F ∈ Fil ⁡ X
64 9 adantr ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → ¬ X ∈ Fin
65 unfi ⊢ x ∈ Fin ∧ X ∖ x ∈ Fin → x ∪ X ∖ x ∈ Fin
66 ssun2 ⊢ X ⊆ x ∪ X
67 undif2 ⊢ x ∪ X ∖ x = x ∪ X
68 66 67 sseqtrri ⊢ X ⊆ x ∪ X ∖ x
69 ssfi ⊢ x ∪ X ∖ x ∈ Fin ∧ X ⊆ x ∪ X ∖ x → X ∈ Fin
70 65 68 69 sylancl ⊢ x ∈ Fin ∧ X ∖ x ∈ Fin → X ∈ Fin
71 64 70 nsyl ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → ¬ x ∈ Fin ∧ X ∖ x ∈ Fin
72 ianor ⊢ ¬ x ∈ Fin ∧ X ∖ x ∈ Fin ↔ ¬ x ∈ Fin ∨ ¬ X ∖ x ∈ Fin
73 71 72 sylib ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → ¬ x ∈ Fin ∨ ¬ X ∖ x ∈ Fin
74 elpwi ⊢ x ∈ 𝒫 X → x ⊆ X
75 74 adantl ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → x ⊆ X
76 6 baib ⊢ x ⊆ X → x ∈ F ↔ ¬ x ∈ Fin
77 75 76 syl ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → x ∈ F ↔ ¬ x ∈ Fin
78 1 eleq2i ⊢ X ∖ x ∈ F ↔ X ∖ x ∈ 𝒫 X ∖ Fin
79 difss ⊢ X ∖ x ⊆ X
80 elpw2g ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → X ∖ x ∈ 𝒫 X ↔ X ∖ x ⊆ X
81 80 adantr ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → X ∖ x ∈ 𝒫 X ↔ X ∖ x ⊆ X
82 79 81 mpbiri ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → X ∖ x ∈ 𝒫 X
83 eldif ⊢ X ∖ x ∈ 𝒫 X ∖ Fin ↔ X ∖ x ∈ 𝒫 X ∧ ¬ X ∖ x ∈ Fin
84 83 baib ⊢ X ∖ x ∈ 𝒫 X → X ∖ x ∈ 𝒫 X ∖ Fin ↔ ¬ X ∖ x ∈ Fin
85 82 84 syl ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → X ∖ x ∈ 𝒫 X ∖ Fin ↔ ¬ X ∖ x ∈ Fin
86 78 85 bitrid ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → X ∖ x ∈ F ↔ ¬ X ∖ x ∈ Fin
87 77 86 orbi12d ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → x ∈ F ∨ X ∖ x ∈ F ↔ ¬ x ∈ Fin ∨ ¬ X ∖ x ∈ Fin
88 73 87 mpbird ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ 𝒫 X → x ∈ F ∨ X ∖ x ∈ F
89 88 ralrimiva ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → ∀ x ∈ 𝒫 X x ∈ F ∨ X ∖ x ∈ F
90 isufil ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ↔ F ∈ Fil ⁡ X ∧ ∀ x ∈ 𝒫 X x ∈ F ∨ X ∖ x ∈ F
91 63 89 90 sylanbrc ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → F ∈ UFil ⁡ X
92 snfi ⊢ x ∈ Fin
93 eldifn ⊢ x ∈ 𝒫 X ∖ Fin → ¬ x ∈ Fin
94 93 1 eleq2s ⊢ x ∈ F → ¬ x ∈ Fin
95 92 94 mt2 ⊢ ¬ x ∈ F
96 uffixsn ⊢ F ∈ UFil ⁡ X ∧ x ∈ ⋂ F → x ∈ F
97 91 96 sylan ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin ∧ x ∈ ⋂ F → x ∈ F
98 97 ex ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → x ∈ ⋂ F → x ∈ F
99 95 98 mtoi ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → ¬ x ∈ ⋂ F
100 99 eq0rdv ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → ⋂ F = ∅
101 91 100 jca ⊢ X ∈ FinIa ∖ Fin → F ∈ UFil ⁡ X ∧ ⋂ F = ∅