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Theorem subfacp1lem3

Description: Lemma for subfacp1 . In subfacp1lem6 we cut up the set of all derangements on 1 ... ( N + 1 ) first according to the value at 1 , and then by whether or not ( f( f1 ) ) = 1 . In this lemma, we show that the subset of all N + 1 derangements that satisfy this for fixed M = ( f1 ) is in bijection with N - 1 derangements, by simply dropping the x = 1 and x = M points from the function to get a derangement on K = ( 1 ... ( N - 1 ) ) \ { 1 , M } . (Contributed by Mario Carneiro, 23-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses derang.d D = x Fin f | f : x 1-1 onto x y x f y y
subfac.n S = n 0 D 1 n
subfacp1lem.a A = f | f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y
subfacp1lem1.n φ N
subfacp1lem1.m φ M 2 N + 1
subfacp1lem1.x M V
subfacp1lem1.k K = 2 N + 1 M
subfacp1lem3.b B = g A | g 1 = M g M = 1
subfacp1lem3.c C = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
Assertion subfacp1lem3 φ B = S N 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 derang.d D = x Fin f | f : x 1-1 onto x y x f y y
2 subfac.n S = n 0 D 1 n
3 subfacp1lem.a A = f | f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y
4 subfacp1lem1.n φ N
5 subfacp1lem1.m φ M 2 N + 1
6 subfacp1lem1.x M V
7 subfacp1lem1.k K = 2 N + 1 M
8 subfacp1lem3.b B = g A | g 1 = M g M = 1
9 subfacp1lem3.c C = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
10 fzfi 1 N + 1 Fin
11 deranglem 1 N + 1 Fin f | f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y Fin
12 10 11 ax-mp f | f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y Fin
13 3 12 eqeltri A Fin
14 8 ssrab3 B A
15 ssfi A Fin B A B Fin
16 13 14 15 mp2an B Fin
17 16 elexi B V
18 17 a1i φ B V
19 eqid b B b K = b B b K
20 simpr φ b B b B
21 fveq1 g = b g 1 = b 1
22 21 eqeq1d g = b g 1 = M b 1 = M
23 fveq1 g = b g M = b M
24 23 eqeq1d g = b g M = 1 b M = 1
25 22 24 anbi12d g = b g 1 = M g M = 1 b 1 = M b M = 1
26 25 8 elrab2 b B b A b 1 = M b M = 1
27 20 26 sylib φ b B b A b 1 = M b M = 1
28 27 simpld φ b B b A
29 vex b V
30 f1oeq1 f = b f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
31 fveq1 f = b f y = b y
32 31 neeq1d f = b f y y b y y
33 32 ralbidv f = b y 1 N + 1 f y y y 1 N + 1 b y y
34 30 33 anbi12d f = b f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y
35 29 34 3 elab2 b A b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y
36 28 35 sylib φ b B b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y
37 36 simpld φ b B b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
38 f1of1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1
39 df-f1 b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1 b : 1 N + 1 1 N + 1 Fun b -1
40 39 simprbi b : 1 N + 1 1-1 1 N + 1 Fun b -1
41 37 38 40 3syl φ b B Fun b -1
42 f1ofn b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b Fn 1 N + 1
43 37 42 syl φ b B b Fn 1 N + 1
44 fnresdm b Fn 1 N + 1 b 1 N + 1 = b
45 f1oeq1 b 1 N + 1 = b b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
46 43 44 45 3syl φ b B b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
47 37 46 mpbird φ b B b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
48 f1ofo b 1 N + 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 b 1 N + 1 : 1 N + 1 onto 1 N + 1
49 47 48 syl φ b B b 1 N + 1 : 1 N + 1 onto 1 N + 1
50 ssun2 1 M K 1 M
51 1 2 3 4 5 6 7 subfacp1lem1 φ K 1 M = K 1 M = 1 N + 1 K = N 1
52 51 simp2d φ K 1 M = 1 N + 1
53 50 52 sseqtrid φ 1 M 1 N + 1
54 53 adantr φ b B 1 M 1 N + 1
55 43 54 fnssresd φ b B b 1 M Fn 1 M
56 27 simprd φ b B b 1 = M b M = 1
57 56 simpld φ b B b 1 = M
58 6 prid2 M 1 M
59 57 58 eqeltrdi φ b B b 1 1 M
60 56 simprd φ b B b M = 1
61 1ex 1 V
62 61 prid1 1 1 M
63 60 62 eqeltrdi φ b B b M 1 M
64 fveq2 x = 1 b x = b 1
65 64 eleq1d x = 1 b x 1 M b 1 1 M
66 fveq2 x = M b x = b M
67 66 eleq1d x = M b x 1 M b M 1 M
68 61 6 65 67 ralpr x 1 M b x 1 M b 1 1 M b M 1 M
69 59 63 68 sylanbrc φ b B x 1 M b x 1 M
70 fvres x 1 M b 1 M x = b x
71 70 eleq1d x 1 M b 1 M x 1 M b x 1 M
72 71 ralbiia x 1 M b 1 M x 1 M x 1 M b x 1 M
73 69 72 sylibr φ b B x 1 M b 1 M x 1 M
74 ffnfv b 1 M : 1 M 1 M b 1 M Fn 1 M x 1 M b 1 M x 1 M
75 55 73 74 sylanbrc φ b B b 1 M : 1 M 1 M
76 fveqeq2 y = M b y = 1 b M = 1
77 76 rspcev M 1 M b M = 1 y 1 M b y = 1
78 58 60 77 sylancr φ b B y 1 M b y = 1
79 fveqeq2 y = 1 b y = M b 1 = M
80 79 rspcev 1 1 M b 1 = M y 1 M b y = M
81 62 57 80 sylancr φ b B y 1 M b y = M
82 eqeq2 x = 1 b y = x b y = 1
83 82 rexbidv x = 1 y 1 M b y = x y 1 M b y = 1
84 eqeq2 x = M b y = x b y = M
85 84 rexbidv x = M y 1 M b y = x y 1 M b y = M
86 61 6 83 85 ralpr x 1 M y 1 M b y = x y 1 M b y = 1 y 1 M b y = M
87 78 81 86 sylanbrc φ b B x 1 M y 1 M b y = x
88 eqcom x = b 1 M y b 1 M y = x
89 fvres y 1 M b 1 M y = b y
90 89 eqeq1d y 1 M b 1 M y = x b y = x
91 88 90 syl5bb y 1 M x = b 1 M y b y = x
92 91 rexbiia y 1 M x = b 1 M y y 1 M b y = x
93 92 ralbii x 1 M y 1 M x = b 1 M y x 1 M y 1 M b y = x
94 87 93 sylibr φ b B x 1 M y 1 M x = b 1 M y
95 dffo3 b 1 M : 1 M onto 1 M b 1 M : 1 M 1 M x 1 M y 1 M x = b 1 M y
96 75 94 95 sylanbrc φ b B b 1 M : 1 M onto 1 M
97 resdif Fun b -1 b 1 N + 1 : 1 N + 1 onto 1 N + 1 b 1 M : 1 M onto 1 M b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M
98 41 49 96 97 syl3anc φ b B b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M
99 uncom 1 M K = K 1 M
100 99 52 eqtrid φ 1 M K = 1 N + 1
101 incom 1 M K = K 1 M
102 51 simp1d φ K 1 M =
103 101 102 eqtrid φ 1 M K =
104 uneqdifeq 1 M 1 N + 1 1 M K = 1 M K = 1 N + 1 1 N + 1 1 M = K
105 53 103 104 syl2anc φ 1 M K = 1 N + 1 1 N + 1 1 M = K
106 100 105 mpbid φ 1 N + 1 1 M = K
107 106 adantr φ b B 1 N + 1 1 M = K
108 reseq2 1 N + 1 1 M = K b 1 N + 1 1 M = b K
109 108 f1oeq1d 1 N + 1 1 M = K b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M
110 f1oeq2 1 N + 1 1 M = K b K : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : K 1-1 onto 1 N + 1 1 M
111 f1oeq3 1 N + 1 1 M = K b K : K 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : K 1-1 onto K
112 109 110 111 3bitrd 1 N + 1 1 M = K b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : K 1-1 onto K
113 107 112 syl φ b B b 1 N + 1 1 M : 1 N + 1 1 M 1-1 onto 1 N + 1 1 M b K : K 1-1 onto K
114 98 113 mpbid φ b B b K : K 1-1 onto K
115 ssun1 K K 1 M
116 115 52 sseqtrid φ K 1 N + 1
117 116 adantr φ b B K 1 N + 1
118 36 simprd φ b B y 1 N + 1 b y y
119 ssralv K 1 N + 1 y 1 N + 1 b y y y K b y y
120 117 118 119 sylc φ b B y K b y y
121 29 resex b K V
122 f1oeq1 f = b K f : K 1-1 onto K b K : K 1-1 onto K
123 fveq1 f = b K f y = b K y
124 fvres y K b K y = b y
125 123 124 sylan9eq f = b K y K f y = b y
126 125 neeq1d f = b K y K f y y b y y
127 126 ralbidva f = b K y K f y y y K b y y
128 122 127 anbi12d f = b K f : K 1-1 onto K y K f y y b K : K 1-1 onto K y K b y y
129 121 128 9 elab2 b K C b K : K 1-1 onto K y K b y y
130 114 120 129 sylanbrc φ b B b K C
131 4 adantr φ c C N
132 5 adantr φ c C M 2 N + 1
133 eqid c 1 M M 1 = c 1 M M 1
134 simpr φ c C c C
135 vex c V
136 f1oeq1 f = c f : K 1-1 onto K c : K 1-1 onto K
137 fveq1 f = c f y = c y
138 137 neeq1d f = c f y y c y y
139 138 ralbidv f = c y K f y y y K c y y
140 136 139 anbi12d f = c f : K 1-1 onto K y K f y y c : K 1-1 onto K y K c y y
141 135 140 9 elab2 c C c : K 1-1 onto K y K c y y
142 134 141 sylib φ c C c : K 1-1 onto K y K c y y
143 142 simpld φ c C c : K 1-1 onto K
144 1 2 3 131 132 6 7 133 143 subfacp1lem2a φ c C c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
145 144 simp1d φ c C c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
146 1 2 3 131 132 6 7 133 143 subfacp1lem2b φ c C y K c 1 M M 1 y = c y
147 142 simprd φ c C y K c y y
148 147 r19.21bi φ c C y K c y y
149 146 148 eqnetrd φ c C y K c 1 M M 1 y y
150 149 ralrimiva φ c C y K c 1 M M 1 y y
151 144 simp2d φ c C c 1 M M 1 1 = M
152 elfzuz M 2 N + 1 M 2
153 eluz2b3 M 2 M M 1
154 153 simprbi M 2 M 1
155 5 152 154 3syl φ M 1
156 155 adantr φ c C M 1
157 151 156 eqnetrd φ c C c 1 M M 1 1 1
158 144 simp3d φ c C c 1 M M 1 M = 1
159 156 necomd φ c C 1 M
160 158 159 eqnetrd φ c C c 1 M M 1 M M
161 fveq2 y = 1 c 1 M M 1 y = c 1 M M 1 1
162 id y = 1 y = 1
163 161 162 neeq12d y = 1 c 1 M M 1 y y c 1 M M 1 1 1
164 fveq2 y = M c 1 M M 1 y = c 1 M M 1 M
165 id y = M y = M
166 164 165 neeq12d y = M c 1 M M 1 y y c 1 M M 1 M M
167 61 6 163 166 ralpr y 1 M c 1 M M 1 y y c 1 M M 1 1 1 c 1 M M 1 M M
168 157 160 167 sylanbrc φ c C y 1 M c 1 M M 1 y y
169 ralunb y K 1 M c 1 M M 1 y y y K c 1 M M 1 y y y 1 M c 1 M M 1 y y
170 150 168 169 sylanbrc φ c C y K 1 M c 1 M M 1 y y
171 52 adantr φ c C K 1 M = 1 N + 1
172 171 raleqdv φ c C y K 1 M c 1 M M 1 y y y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
173 170 172 mpbid φ c C y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
174 prex 1 M M 1 V
175 135 174 unex c 1 M M 1 V
176 f1oeq1 f = c 1 M M 1 f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
177 fveq1 f = c 1 M M 1 f y = c 1 M M 1 y
178 177 neeq1d f = c 1 M M 1 f y y c 1 M M 1 y y
179 178 ralbidv f = c 1 M M 1 y 1 N + 1 f y y y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
180 176 179 anbi12d f = c 1 M M 1 f : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 f y y c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
181 175 180 3 elab2 c 1 M M 1 A c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 y 1 N + 1 c 1 M M 1 y y
182 145 173 181 sylanbrc φ c C c 1 M M 1 A
183 151 158 jca φ c C c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
184 fveq1 g = c 1 M M 1 g 1 = c 1 M M 1 1
185 184 eqeq1d g = c 1 M M 1 g 1 = M c 1 M M 1 1 = M
186 fveq1 g = c 1 M M 1 g M = c 1 M M 1 M
187 186 eqeq1d g = c 1 M M 1 g M = 1 c 1 M M 1 M = 1
188 185 187 anbi12d g = c 1 M M 1 g 1 = M g M = 1 c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
189 188 8 elrab2 c 1 M M 1 B c 1 M M 1 A c 1 M M 1 1 = M c 1 M M 1 M = 1
190 182 183 189 sylanbrc φ c C c 1 M M 1 B
191 57 adantrr φ b B c C b 1 = M
192 151 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 1 = M
193 191 192 eqtr4d φ b B c C b 1 = c 1 M M 1 1
194 60 adantrr φ b B c C b M = 1
195 158 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 M = 1
196 194 195 eqtr4d φ b B c C b M = c 1 M M 1 M
197 fveq2 y = 1 b y = b 1
198 197 161 eqeq12d y = 1 b y = c 1 M M 1 y b 1 = c 1 M M 1 1
199 fveq2 y = M b y = b M
200 199 164 eqeq12d y = M b y = c 1 M M 1 y b M = c 1 M M 1 M
201 61 6 198 200 ralpr y 1 M b y = c 1 M M 1 y b 1 = c 1 M M 1 1 b M = c 1 M M 1 M
202 193 196 201 sylanbrc φ b B c C y 1 M b y = c 1 M M 1 y
203 202 biantrud φ b B c C y K b y = c 1 M M 1 y y K b y = c 1 M M 1 y y 1 M b y = c 1 M M 1 y
204 ralunb y K 1 M b y = c 1 M M 1 y y K b y = c 1 M M 1 y y 1 M b y = c 1 M M 1 y
205 203 204 bitr4di φ b B c C y K b y = c 1 M M 1 y y K 1 M b y = c 1 M M 1 y
206 146 eqeq2d φ c C y K b y = c 1 M M 1 y b y = c y
207 206 ralbidva φ c C y K b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
208 207 adantrl φ b B c C y K b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
209 52 adantr φ b B c C K 1 M = 1 N + 1
210 209 raleqdv φ b B c C y K 1 M b y = c 1 M M 1 y y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y
211 205 208 210 3bitr3rd φ b B c C y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y y K b y = c y
212 124 eqeq2d y K c y = b K y c y = b y
213 eqcom c y = b y b y = c y
214 212 213 bitrdi y K c y = b K y b y = c y
215 214 ralbiia y K c y = b K y y K b y = c y
216 211 215 bitr4di φ b B c C y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y y K c y = b K y
217 43 adantrr φ b B c C b Fn 1 N + 1
218 145 adantrl φ b B c C c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1
219 f1ofn c 1 M M 1 : 1 N + 1 1-1 onto 1 N + 1 c 1 M M 1 Fn 1 N + 1
220 218 219 syl φ b B c C c 1 M M 1 Fn 1 N + 1
221 eqfnfv b Fn 1 N + 1 c 1 M M 1 Fn 1 N + 1 b = c 1 M M 1 y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y
222 217 220 221 syl2anc φ b B c C b = c 1 M M 1 y 1 N + 1 b y = c 1 M M 1 y
223 143 adantrl φ b B c C c : K 1-1 onto K
224 f1ofn c : K 1-1 onto K c Fn K
225 223 224 syl φ b B c C c Fn K
226 116 adantr φ b B c C K 1 N + 1
227 217 226 fnssresd φ b B c C b K Fn K
228 eqfnfv c Fn K b K Fn K c = b K y K c y = b K y
229 225 227 228 syl2anc φ b B c C c = b K y K c y = b K y
230 216 222 229 3bitr4d φ b B c C b = c 1 M M 1 c = b K
231 19 130 190 230 f1o2d φ b B b K : B 1-1 onto C
232 18 231 hasheqf1od φ B = C
233 9 fveq2i C = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
234 fzfi 2 N + 1 Fin
235 diffi 2 N + 1 Fin 2 N + 1 M Fin
236 234 235 ax-mp 2 N + 1 M Fin
237 7 236 eqeltri K Fin
238 1 derangval K Fin D K = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
239 237 238 ax-mp D K = f | f : K 1-1 onto K y K f y y
240 1 2 derangen2 K Fin D K = S K
241 237 240 ax-mp D K = S K
242 233 239 241 3eqtr2ri S K = C
243 51 simp3d φ K = N 1
244 243 fveq2d φ S K = S N 1
245 242 244 eqtr3id φ C = S N 1
246 232 245 eqtrd φ B = S N 1