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Theorem usgr2pth0

Description: In a simply graph, there is a path of length 2 iff there are three distinct vertices so that one of them is connected to each of the two others by an edge. (Contributed by Alexander van der Vekens, 27-Jan-2018) (Revised by AV, 5-Jun-2021)

Ref Expression
Hypotheses usgr2pthlem.v ⊢ V = Vtx ⁡ G
usgr2pthlem.i ⊢ I = iEdg ⁡ G
Assertion usgr2pth0 ⊢ G ∈ USGraph → F Paths ⁡ G P ∧ F = 2 ↔ F : 0 ..^ 2 ⟶ 1-1 dom ⁡ I ∧ P : 0 … 2 ⟶ 1-1 V ∧ ∃ x ∈ V ∃ y ∈ V ∖ x ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 usgr2pthlem.v ⊢ V = Vtx ⁡ G
2 usgr2pthlem.i ⊢ I = iEdg ⁡ G
3 1 2 usgr2pth ⊢ G ∈ USGraph → F Paths ⁡ G P ∧ F = 2 ↔ F : 0 ..^ 2 ⟶ 1-1 dom ⁡ I ∧ P : 0 … 2 ⟶ 1-1 V ∧ ∃ x ∈ V ∃ z ∈ V ∖ x ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
4 r19.42v ⊢ ∃ y ∈ V ∖ x z z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ z ≠ x ∧ ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
5 rexdifpr ⊢ ∃ y ∈ V ∖ x z z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ y ∈ V y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
6 4 5 bitr3i ⊢ z ≠ x ∧ ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ y ∈ V y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
7 6 rexbii ⊢ ∃ z ∈ V z ≠ x ∧ ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ z ∈ V ∃ y ∈ V y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
8 rexcom ⊢ ∃ z ∈ V ∃ y ∈ V y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ y ∈ V ∃ z ∈ V y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
9 df-3an ⊢ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
10 anass ⊢ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
11 anass ⊢ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
12 anass ⊢ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ↔ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x
13 ancom ⊢ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ↔ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ y ≠ x
14 necom ⊢ y ≠ z ↔ z ≠ y
15 14 anbi2ci ⊢ y ≠ z ∧ z ≠ x ↔ z ≠ x ∧ z ≠ y
16 15 anbi1i ⊢ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ y ≠ x ↔ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x
17 12 13 16 3bitri ⊢ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ↔ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x
18 17 anbi1i ⊢ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
19 df-3an ⊢ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
20 11 18 19 3bitr4i ⊢ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
21 9 10 20 3bitr2i ⊢ y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
22 21 rexbii ⊢ ∃ z ∈ V y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ z ∈ V z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
23 rexdifpr ⊢ ∃ z ∈ V ∖ x y y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ z ∈ V z ≠ x ∧ z ≠ y ∧ y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
24 r19.42v ⊢ ∃ z ∈ V ∖ x y y ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ y ≠ x ∧ ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
25 22 23 24 3bitr2i ⊢ ∃ z ∈ V y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ y ≠ x ∧ ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
26 25 rexbii ⊢ ∃ y ∈ V ∃ z ∈ V y ≠ x ∧ y ≠ z ∧ z ≠ x ∧ P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ y ∈ V y ≠ x ∧ ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
27 7 8 26 3bitri ⊢ ∃ z ∈ V z ≠ x ∧ ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ y ∈ V y ≠ x ∧ ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
28 rexdifsn ⊢ ∃ z ∈ V ∖ x ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ z ∈ V z ≠ x ∧ ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
29 rexdifsn ⊢ ∃ y ∈ V ∖ x ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ y ∈ V y ≠ x ∧ ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
30 27 28 29 3bitr4i ⊢ ∃ z ∈ V ∖ x ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ y ∈ V ∖ x ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
31 30 a1i ⊢ G ∈ USGraph ∧ x ∈ V → ∃ z ∈ V ∖ x ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ y ∈ V ∖ x ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
32 31 rexbidva ⊢ G ∈ USGraph → ∃ x ∈ V ∃ z ∈ V ∖ x ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ ∃ x ∈ V ∃ y ∈ V ∖ x ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
33 32 3anbi3d ⊢ G ∈ USGraph → F : 0 ..^ 2 ⟶ 1-1 dom ⁡ I ∧ P : 0 … 2 ⟶ 1-1 V ∧ ∃ x ∈ V ∃ z ∈ V ∖ x ∃ y ∈ V ∖ x z P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y ↔ F : 0 ..^ 2 ⟶ 1-1 dom ⁡ I ∧ P : 0 … 2 ⟶ 1-1 V ∧ ∃ x ∈ V ∃ y ∈ V ∖ x ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y
34 3 33 bitrd ⊢ G ∈ USGraph → F Paths ⁡ G P ∧ F = 2 ↔ F : 0 ..^ 2 ⟶ 1-1 dom ⁡ I ∧ P : 0 … 2 ⟶ 1-1 V ∧ ∃ x ∈ V ∃ y ∈ V ∖ x ∃ z ∈ V ∖ x y P ⁡ 0 = x ∧ P ⁡ 1 = z ∧ P ⁡ 2 = y ∧ I ⁡ F ⁡ 0 = x z ∧ I ⁡ F ⁡ 1 = z y