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Theorem incexc

Description: The inclusion/exclusion principle for counting the elements of a finite union of finite sets. This is Metamath 100 proof #96. (Contributed by Mario Carneiro, 7-Aug-2017)

Ref Expression
Assertion incexc ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A = ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 unifi ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A ∈ Fin
2 hashcl ⊢ ⋃ A ∈ Fin → ⋃ A ∈ ℕ 0
3 2 nn0cnd ⊢ ⋃ A ∈ Fin → ⋃ A ∈ ℂ
4 1 3 syl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A ∈ ℂ
5 simpl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → A ∈ Fin
6 pwfi ⊢ A ∈ Fin ↔ 𝒫 A ∈ Fin
7 5 6 sylib ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → 𝒫 A ∈ Fin
8 diffi ⊢ 𝒫 A ∈ Fin → 𝒫 A ∖ ∅ ∈ Fin
9 7 8 syl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → 𝒫 A ∖ ∅ ∈ Fin
10 1cnd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → 1 ∈ ℂ
11 10 negcld ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − 1 ∈ ℂ
12 eldifsni ⊢ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ≠ ∅
13 12 adantl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ≠ ∅
14 eldifi ⊢ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ∈ 𝒫 A
15 elpwi ⊢ s ∈ 𝒫 A → s ⊆ A
16 14 15 syl ⊢ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ⊆ A
17 ssfi ⊢ A ∈ Fin ∧ s ⊆ A → s ∈ Fin
18 5 16 17 syl2an ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ∈ Fin
19 hashnncl ⊢ s ∈ Fin → s ∈ ℕ ↔ s ≠ ∅
20 18 19 syl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ∈ ℕ ↔ s ≠ ∅
21 13 20 mpbird ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ∈ ℕ
22 nnm1nn0 ⊢ s ∈ ℕ → s − 1 ∈ ℕ 0
23 21 22 syl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s − 1 ∈ ℕ 0
24 11 23 expcld ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − 1 s − 1 ∈ ℂ
25 16 adantl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ⊆ A
26 simplr ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → A ⊆ Fin
27 25 26 sstrd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → s ⊆ Fin
28 unifi ⊢ s ∈ Fin ∧ s ⊆ Fin → ⋃ s ∈ Fin
29 18 27 28 syl2anc ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋃ s ∈ Fin
30 intssuni ⊢ s ≠ ∅ → ⋂ s ⊆ ⋃ s
31 13 30 syl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋂ s ⊆ ⋃ s
32 29 31 ssfid ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋂ s ∈ Fin
33 hashcl ⊢ ⋂ s ∈ Fin → ⋂ s ∈ ℕ 0
34 32 33 syl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋂ s ∈ ℕ 0
35 34 nn0cnd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋂ s ∈ ℂ
36 24 35 mulcld ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s ∈ ℂ
37 9 36 fsumcl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s ∈ ℂ
38 disjdif ⊢ ∅ ∩ 𝒫 A ∖ ∅ = ∅
39 38 a1i ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ∅ ∩ 𝒫 A ∖ ∅ = ∅
40 0elpw ⊢ ∅ ∈ 𝒫 A
41 snssi ⊢ ∅ ∈ 𝒫 A → ∅ ⊆ 𝒫 A
42 40 41 ax-mp ⊢ ∅ ⊆ 𝒫 A
43 undif ⊢ ∅ ⊆ 𝒫 A ↔ ∅ ∪ 𝒫 A ∖ ∅ = 𝒫 A
44 42 43 mpbi ⊢ ∅ ∪ 𝒫 A ∖ ∅ = 𝒫 A
45 44 eqcomi ⊢ 𝒫 A = ∅ ∪ 𝒫 A ∖ ∅
46 45 a1i ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → 𝒫 A = ∅ ∪ 𝒫 A ∖ ∅
47 1cnd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → 1 ∈ ℂ
48 47 negcld ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → − 1 ∈ ℂ
49 5 15 17 syl2an ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → s ∈ Fin
50 hashcl ⊢ s ∈ Fin → s ∈ ℕ 0
51 49 50 syl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → s ∈ ℕ 0
52 48 51 expcld ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → − 1 s ∈ ℂ
53 1 adantr ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → ⋃ A ∈ Fin
54 inss1 ⊢ ⋃ A ∩ ⋂ s ⊆ ⋃ A
55 ssfi ⊢ ⋃ A ∈ Fin ∧ ⋃ A ∩ ⋂ s ⊆ ⋃ A → ⋃ A ∩ ⋂ s ∈ Fin
56 53 54 55 sylancl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → ⋃ A ∩ ⋂ s ∈ Fin
57 hashcl ⊢ ⋃ A ∩ ⋂ s ∈ Fin → ⋃ A ∩ ⋂ s ∈ ℕ 0
58 56 57 syl ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → ⋃ A ∩ ⋂ s ∈ ℕ 0
59 58 nn0cnd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → ⋃ A ∩ ⋂ s ∈ ℂ
60 52 59 mulcld ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A → − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s ∈ ℂ
61 39 46 7 60 fsumsplit ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ∑ s ∈ 𝒫 A − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s = ∑ s ∈ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s + ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
62 inidm ⊢ ⋃ A ∩ ⋃ A = ⋃ A
63 62 fveq2i ⊢ ⋃ A ∩ ⋃ A = ⋃ A
64 63 oveq2i ⊢ ⋃ A − ⋃ A ∩ ⋃ A = ⋃ A − ⋃ A
65 4 subidd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A − ⋃ A = 0
66 64 65 eqtrid ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A − ⋃ A ∩ ⋃ A = 0
67 incexclem ⊢ A ∈ Fin ∧ ⋃ A ∈ Fin → ⋃ A − ⋃ A ∩ ⋃ A = ∑ s ∈ 𝒫 A − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
68 1 67 syldan ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A − ⋃ A ∩ ⋃ A = ∑ s ∈ 𝒫 A − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
69 66 68 eqtr3d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → 0 = ∑ s ∈ 𝒫 A − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
70 4 37 negsubd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A + − ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = ⋃ A − ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s
71 0ex ⊢ ∅ ∈ V
72 1cnd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → 1 ∈ ℂ
73 72 4 mulcld ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → 1 ⁢ ⋃ A ∈ ℂ
74 fveq2 ⊢ s = ∅ → s = ∅
75 hash0 ⊢ ∅ = 0
76 74 75 eqtrdi ⊢ s = ∅ → s = 0
77 76 oveq2d ⊢ s = ∅ → − 1 s = − 1 0
78 neg1cn ⊢ − 1 ∈ ℂ
79 exp0 ⊢ − 1 ∈ ℂ → − 1 0 = 1
80 78 79 ax-mp ⊢ − 1 0 = 1
81 77 80 eqtrdi ⊢ s = ∅ → − 1 s = 1
82 rint0 ⊢ s = ∅ → ⋃ A ∩ ⋂ s = ⋃ A
83 82 fveq2d ⊢ s = ∅ → ⋃ A ∩ ⋂ s = ⋃ A
84 81 83 oveq12d ⊢ s = ∅ → − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s = 1 ⁢ ⋃ A
85 84 sumsn ⊢ ∅ ∈ V ∧ 1 ⁢ ⋃ A ∈ ℂ → ∑ s ∈ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s = 1 ⁢ ⋃ A
86 71 73 85 sylancr ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ∑ s ∈ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s = 1 ⁢ ⋃ A
87 4 mullidd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → 1 ⁢ ⋃ A = ⋃ A
88 86 87 eqtr2d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A = ∑ s ∈ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
89 9 36 fsumneg ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = − ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s
90 expm1t ⊢ − 1 ∈ ℂ ∧ s ∈ ℕ → − 1 s = − 1 s − 1 ⁢ -1
91 11 21 90 syl2anc ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − 1 s = − 1 s − 1 ⁢ -1
92 24 11 mulcomd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − 1 s − 1 ⁢ -1 = -1 ⁢ − 1 s − 1
93 24 mulm1d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → -1 ⁢ − 1 s − 1 = − − 1 s − 1
94 91 92 93 3eqtrd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − 1 s = − − 1 s − 1
95 25 unissd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋃ s ⊆ ⋃ A
96 31 95 sstrd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋂ s ⊆ ⋃ A
97 sseqin2 ⊢ ⋂ s ⊆ ⋃ A ↔ ⋃ A ∩ ⋂ s = ⋂ s
98 96 97 sylib ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋃ A ∩ ⋂ s = ⋂ s
99 98 fveq2d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → ⋃ A ∩ ⋂ s = ⋂ s
100 94 99 oveq12d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s = − − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s
101 24 35 mulneg1d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = − − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s
102 100 101 eqtr2d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin ∧ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ → − − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
103 102 sumeq2dv ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
104 89 103 eqtr3d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → − ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
105 88 104 oveq12d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A + − ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = ∑ s ∈ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s + ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
106 70 105 eqtr3d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A − ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = ∑ s ∈ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s + ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s ⁢ ⋃ A ∩ ⋂ s
107 61 69 106 3eqtr4rd ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A − ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s = 0
108 4 37 107 subeq0d ⊢ A ∈ Fin ∧ A ⊆ Fin → ⋃ A = ∑ s ∈ 𝒫 A ∖ ∅ − 1 s − 1 ⁢ ⋂ s