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Theorem ufinffr

Description: An infinite subset is contained in a free ultrafilter. (Contributed by Jeff Hankins, 6-Dec-2009) (Revised by Mario Carneiro, 4-Dec-2013)

Ref Expression
Assertion ufinffr ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → ∃ f ∈ UFil ⁡ X A ∈ f ∧ ⋂ f = ∅

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ominf ⊢ ¬ ω ∈ Fin
2 domfi ⊢ A ∈ Fin ∧ ω ≼ A → ω ∈ Fin
3 2 expcom ⊢ ω ≼ A → A ∈ Fin → ω ∈ Fin
4 1 3 mtoi ⊢ ω ≼ A → ¬ A ∈ Fin
5 cfinfil ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ¬ A ∈ Fin → x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ∈ Fil ⁡ X
6 4 5 syl3an3 ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ∈ Fil ⁡ X
7 filssufil ⊢ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ∈ Fil ⁡ X → ∃ f ∈ UFil ⁡ X x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f
8 6 7 syl ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → ∃ f ∈ UFil ⁡ X x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f
9 difeq2 ⊢ x = A → A ∖ x = A ∖ A
10 difid ⊢ A ∖ A = ∅
11 9 10 eqtrdi ⊢ x = A → A ∖ x = ∅
12 11 eleq1d ⊢ x = A → A ∖ x ∈ Fin ↔ ∅ ∈ Fin
13 elpw2g ⊢ X ∈ B → A ∈ 𝒫 X ↔ A ⊆ X
14 13 biimpar ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X → A ∈ 𝒫 X
15 14 3adant3 ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → A ∈ 𝒫 X
16 0fi ⊢ ∅ ∈ Fin
17 16 a1i ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → ∅ ∈ Fin
18 12 15 17 elrabd ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → A ∈ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin
19 ssel ⊢ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f → A ∈ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin → A ∈ f
20 18 19 syl5com ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f → A ∈ f
21 intss ⊢ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f → ⋂ f ⊆ ⋂ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin
22 neldifsn ⊢ ¬ y ∈ A ∖ y
23 elinti ⊢ y ∈ ⋂ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin → A ∖ y ∈ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin → y ∈ A ∖ y
24 22 23 mtoi ⊢ y ∈ ⋂ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin → ¬ A ∖ y ∈ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin
25 difeq2 ⊢ x = A ∖ y → A ∖ x = A ∖ A ∖ y
26 25 eleq1d ⊢ x = A ∖ y → A ∖ x ∈ Fin ↔ A ∖ A ∖ y ∈ Fin
27 simp2 ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → A ⊆ X
28 27 ssdifssd ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → A ∖ y ⊆ X
29 elpw2g ⊢ X ∈ B → A ∖ y ∈ 𝒫 X ↔ A ∖ y ⊆ X
30 29 3ad2ant1 ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → A ∖ y ∈ 𝒫 X ↔ A ∖ y ⊆ X
31 28 30 mpbird ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → A ∖ y ∈ 𝒫 X
32 snfi ⊢ y ∈ Fin
33 eldif ⊢ x ∈ A ∖ A ∖ y ↔ x ∈ A ∧ ¬ x ∈ A ∖ y
34 eldif ⊢ x ∈ A ∖ y ↔ x ∈ A ∧ ¬ x ∈ y
35 34 notbii ⊢ ¬ x ∈ A ∖ y ↔ ¬ x ∈ A ∧ ¬ x ∈ y
36 iman ⊢ x ∈ A → x ∈ y ↔ ¬ x ∈ A ∧ ¬ x ∈ y
37 35 36 bitr4i ⊢ ¬ x ∈ A ∖ y ↔ x ∈ A → x ∈ y
38 37 anbi2i ⊢ x ∈ A ∧ ¬ x ∈ A ∖ y ↔ x ∈ A ∧ x ∈ A → x ∈ y
39 33 38 bitri ⊢ x ∈ A ∖ A ∖ y ↔ x ∈ A ∧ x ∈ A → x ∈ y
40 pm3.35 ⊢ x ∈ A ∧ x ∈ A → x ∈ y → x ∈ y
41 39 40 sylbi ⊢ x ∈ A ∖ A ∖ y → x ∈ y
42 41 ssriv ⊢ A ∖ A ∖ y ⊆ y
43 ssfi ⊢ y ∈ Fin ∧ A ∖ A ∖ y ⊆ y → A ∖ A ∖ y ∈ Fin
44 32 42 43 mp2an ⊢ A ∖ A ∖ y ∈ Fin
45 44 a1i ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → A ∖ A ∖ y ∈ Fin
46 26 31 45 elrabd ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → A ∖ y ∈ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin
47 24 46 nsyl3 ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → ¬ y ∈ ⋂ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin
48 47 eq0rdv ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → ⋂ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin = ∅
49 48 sseq2d ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → ⋂ f ⊆ ⋂ x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ↔ ⋂ f ⊆ ∅
50 21 49 imbitrid ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f → ⋂ f ⊆ ∅
51 ss0 ⊢ ⋂ f ⊆ ∅ → ⋂ f = ∅
52 50 51 syl6 ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f → ⋂ f = ∅
53 20 52 jcad ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f → A ∈ f ∧ ⋂ f = ∅
54 53 reximdv ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → ∃ f ∈ UFil ⁡ X x ∈ 𝒫 X | A ∖ x ∈ Fin ⊆ f → ∃ f ∈ UFil ⁡ X A ∈ f ∧ ⋂ f = ∅
55 8 54 mpd ⊢ X ∈ B ∧ A ⊆ X ∧ ω ≼ A → ∃ f ∈ UFil ⁡ X A ∈ f ∧ ⋂ f = ∅