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Theorem incexc2

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

Ref Expression
Assertion incexc2 A Fin A Fin A = n = 1 A 1 n 1 s k 𝒫 A | k = n s

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 incexc A Fin A Fin A = s 𝒫 A 1 s 1 s
2 hashcl A Fin A 0
3 2 ad2antrr A Fin A Fin k 𝒫 A A 0
4 3 nn0zd A Fin A Fin k 𝒫 A A
5 simpl A Fin A Fin A Fin
6 elpwi k 𝒫 A k A
7 ssdomg A Fin k A k A
8 7 imp A Fin k A k A
9 5 6 8 syl2an A Fin A Fin k 𝒫 A k A
10 hashdomi k A k A
11 9 10 syl A Fin A Fin k 𝒫 A k A
12 fznn A k 1 A k k A
13 12 rbaibd A k A k 1 A k
14 4 11 13 syl2anc A Fin A Fin k 𝒫 A k 1 A k
15 ssfi A Fin k A k Fin
16 5 6 15 syl2an A Fin A Fin k 𝒫 A k Fin
17 hashnncl k Fin k k
18 16 17 syl A Fin A Fin k 𝒫 A k k
19 14 18 bitr2d A Fin A Fin k 𝒫 A k k 1 A
20 df-ne k ¬ k =
21 risset k 1 A n 1 A n = k
22 19 20 21 3bitr3g A Fin A Fin k 𝒫 A ¬ k = n 1 A n = k
23 velsn k k =
24 23 notbii ¬ k ¬ k =
25 eqcom k = n n = k
26 25 rexbii n 1 A k = n n 1 A n = k
27 22 24 26 3bitr4g A Fin A Fin k 𝒫 A ¬ k n 1 A k = n
28 27 rabbidva A Fin A Fin k 𝒫 A | ¬ k = k 𝒫 A | n 1 A k = n
29 dfdif2 𝒫 A = k 𝒫 A | ¬ k
30 iunrab n = 1 A k 𝒫 A | k = n = k 𝒫 A | n 1 A k = n
31 28 29 30 3eqtr4g A Fin A Fin 𝒫 A = n = 1 A k 𝒫 A | k = n
32 31 sumeq1d A Fin A Fin s 𝒫 A 1 s 1 s = s n = 1 A k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s
33 1 32 eqtrd A Fin A Fin A = s n = 1 A k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s
34 fzfid A Fin A Fin 1 A Fin
35 simpll A Fin A Fin n 1 A A Fin
36 pwfi A Fin 𝒫 A Fin
37 35 36 sylib A Fin A Fin n 1 A 𝒫 A Fin
38 ssrab2 k 𝒫 A | k = n 𝒫 A
39 ssfi 𝒫 A Fin k 𝒫 A | k = n 𝒫 A k 𝒫 A | k = n Fin
40 37 38 39 sylancl A Fin A Fin n 1 A k 𝒫 A | k = n Fin
41 fveqeq2 k = s k = n s = n
42 41 elrab s k 𝒫 A | k = n s 𝒫 A s = n
43 42 simprbi s k 𝒫 A | k = n s = n
44 43 adantl A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s = n
45 44 ralrimiva A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s = n
46 45 ralrimiva A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s = n
47 invdisj n 1 A s k 𝒫 A | k = n s = n Disj n = 1 A k 𝒫 A | k = n
48 46 47 syl A Fin A Fin Disj n = 1 A k 𝒫 A | k = n
49 44 oveq1d A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s 1 = n 1
50 49 oveq2d A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 s 1 = 1 n 1
51 50 oveq1d A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s = 1 n 1 s
52 1cnd A Fin A Fin n 1 A 1
53 52 negcld A Fin A Fin n 1 A 1
54 elfznn n 1 A n
55 54 adantl A Fin A Fin n 1 A n
56 nnm1nn0 n n 1 0
57 55 56 syl A Fin A Fin n 1 A n 1 0
58 53 57 expcld A Fin A Fin n 1 A 1 n 1
59 58 adantr A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 n 1
60 unifi A Fin A Fin A Fin
61 60 ad2antrr A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n A Fin
62 55 adantr A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n n
63 44 62 eqeltrd A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s
64 35 adantr A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n A Fin
65 elrabi s k 𝒫 A | k = n s 𝒫 A
66 65 adantl A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s 𝒫 A
67 elpwi s 𝒫 A s A
68 66 67 syl A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s A
69 64 68 ssfid A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s Fin
70 hashnncl s Fin s s
71 69 70 syl A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s s
72 63 71 mpbid A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s
73 intssuni s s s
74 72 73 syl A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s s
75 68 unissd A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s A
76 74 75 sstrd A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s A
77 61 76 ssfid A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s Fin
78 hashcl s Fin s 0
79 77 78 syl A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s 0
80 79 nn0cnd A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n s
81 59 80 mulcld A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 n 1 s
82 51 81 eqeltrd A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s
83 82 anasss A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s
84 34 40 48 83 fsumiun A Fin A Fin s n = 1 A k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s = n = 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s
85 51 sumeq2dv A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s = s k 𝒫 A | k = n 1 n 1 s
86 40 58 80 fsummulc2 A Fin A Fin n 1 A 1 n 1 s k 𝒫 A | k = n s = s k 𝒫 A | k = n 1 n 1 s
87 85 86 eqtr4d A Fin A Fin n 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s = 1 n 1 s k 𝒫 A | k = n s
88 87 sumeq2dv A Fin A Fin n = 1 A s k 𝒫 A | k = n 1 s 1 s = n = 1 A 1 n 1 s k 𝒫 A | k = n s
89 33 84 88 3eqtrd A Fin A Fin A = n = 1 A 1 n 1 s k 𝒫 A | k = n s