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Theorem xrhmeo

Description: The bijection from [ -u 1 , 1 ] to the extended reals is an order isomorphism and a homeomorphism. (Contributed by Mario Carneiro, 9-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses xrhmeo.f F = x 0 1 if x = 1 +∞ x 1 x
xrhmeo.g G = y 1 1 if 0 y F y F y
xrhmeo.j J = TopOpen fld
Assertion xrhmeo G Isom < , < 1 1 * G J 𝑡 1 1 Homeo ordTop

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 xrhmeo.f F = x 0 1 if x = 1 +∞ x 1 x
2 xrhmeo.g G = y 1 1 if 0 y F y F y
3 xrhmeo.j J = TopOpen fld
4 iccssxr 1 1 *
5 xrltso < Or *
6 soss 1 1 * < Or * < Or 1 1
7 4 5 6 mp2 < Or 1 1
8 sopo < Or * < Po *
9 5 8 ax-mp < Po *
10 iccssxr 0 +∞ *
11 neg1rr 1
12 1re 1
13 11 12 elicc2i y 1 1 y 1 y y 1
14 13 simp1bi y 1 1 y
15 14 adantr y 1 1 0 y y
16 simpr y 1 1 0 y 0 y
17 13 simp3bi y 1 1 y 1
18 17 adantr y 1 1 0 y y 1
19 elicc01 y 0 1 y 0 y y 1
20 15 16 18 19 syl3anbrc y 1 1 0 y y 0 1
21 1 iccpnfcnv F : 0 1 1-1 onto 0 +∞ F -1 = v 0 +∞ if v = +∞ 1 v 1 + v
22 21 simpli F : 0 1 1-1 onto 0 +∞
23 f1of F : 0 1 1-1 onto 0 +∞ F : 0 1 0 +∞
24 22 23 ax-mp F : 0 1 0 +∞
25 24 ffvelrni y 0 1 F y 0 +∞
26 20 25 syl y 1 1 0 y F y 0 +∞
27 10 26 sselid y 1 1 0 y F y *
28 14 adantr y 1 1 ¬ 0 y y
29 28 renegcld y 1 1 ¬ 0 y y
30 0re 0
31 letric 0 y 0 y y 0
32 30 14 31 sylancr y 1 1 0 y y 0
33 32 orcanai y 1 1 ¬ 0 y y 0
34 28 le0neg1d y 1 1 ¬ 0 y y 0 0 y
35 33 34 mpbid y 1 1 ¬ 0 y 0 y
36 13 simp2bi y 1 1 1 y
37 36 adantr y 1 1 ¬ 0 y 1 y
38 lenegcon1 1 y 1 y y 1
39 12 28 38 sylancr y 1 1 ¬ 0 y 1 y y 1
40 37 39 mpbid y 1 1 ¬ 0 y y 1
41 elicc01 y 0 1 y 0 y y 1
42 29 35 40 41 syl3anbrc y 1 1 ¬ 0 y y 0 1
43 24 ffvelrni y 0 1 F y 0 +∞
44 42 43 syl y 1 1 ¬ 0 y F y 0 +∞
45 10 44 sselid y 1 1 ¬ 0 y F y *
46 45 xnegcld y 1 1 ¬ 0 y F y *
47 27 46 ifclda y 1 1 if 0 y F y F y *
48 2 47 fmpti G : 1 1 *
49 frn G : 1 1 * ran G *
50 48 49 ax-mp ran G *
51 ssabral * z | y 1 1 z = if 0 y F y F y z * y 1 1 z = if 0 y F y F y
52 0le1 0 1
53 le0neg2 1 0 1 1 0
54 12 53 ax-mp 0 1 1 0
55 52 54 mpbi 1 0
56 1le1 1 1
57 iccss 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1
58 11 12 55 56 57 mp4an 0 1 1 1
59 elxrge0 z 0 +∞ z * 0 z
60 f1ocnv F : 0 1 1-1 onto 0 +∞ F -1 : 0 +∞ 1-1 onto 0 1
61 f1of F -1 : 0 +∞ 1-1 onto 0 1 F -1 : 0 +∞ 0 1
62 22 60 61 mp2b F -1 : 0 +∞ 0 1
63 62 ffvelrni z 0 +∞ F -1 z 0 1
64 59 63 sylbir z * 0 z F -1 z 0 1
65 58 64 sselid z * 0 z F -1 z 1 1
66 elicc01 F -1 z 0 1 F -1 z 0 F -1 z F -1 z 1
67 66 simp2bi F -1 z 0 1 0 F -1 z
68 64 67 syl z * 0 z 0 F -1 z
69 59 biimpri z * 0 z z 0 +∞
70 f1ocnvfv2 F : 0 1 1-1 onto 0 +∞ z 0 +∞ F F -1 z = z
71 22 69 70 sylancr z * 0 z F F -1 z = z
72 71 eqcomd z * 0 z z = F F -1 z
73 breq2 y = F -1 z 0 y 0 F -1 z
74 fveq2 y = F -1 z F y = F F -1 z
75 74 eqeq2d y = F -1 z z = F y z = F F -1 z
76 73 75 anbi12d y = F -1 z 0 y z = F y 0 F -1 z z = F F -1 z
77 76 rspcev F -1 z 1 1 0 F -1 z z = F F -1 z y 1 1 0 y z = F y
78 65 68 72 77 syl12anc z * 0 z y 1 1 0 y z = F y
79 iftrue 0 y if 0 y F y F y = F y
80 79 eqeq2d 0 y z = if 0 y F y F y z = F y
81 80 biimpar 0 y z = F y z = if 0 y F y F y
82 81 reximi y 1 1 0 y z = F y y 1 1 z = if 0 y F y F y
83 78 82 syl z * 0 z y 1 1 z = if 0 y F y F y
84 xnegcl z * z *
85 84 adantr z * ¬ 0 z z *
86 0xr 0 *
87 xrletri 0 * z * 0 z z 0
88 86 87 mpan z * 0 z z 0
89 88 ord z * ¬ 0 z z 0
90 xle0neg1 z * z 0 0 z
91 89 90 sylibd z * ¬ 0 z 0 z
92 91 imp z * ¬ 0 z 0 z
93 elxrge0 z 0 +∞ z * 0 z
94 85 92 93 sylanbrc z * ¬ 0 z z 0 +∞
95 62 ffvelrni z 0 +∞ F -1 z 0 1
96 94 95 syl z * ¬ 0 z F -1 z 0 1
97 58 96 sselid z * ¬ 0 z F -1 z 1 1
98 iccssre 1 1 1 1
99 11 12 98 mp2an 1 1
100 99 97 sselid z * ¬ 0 z F -1 z
101 iccneg 1 1 F -1 z F -1 z 1 1 F -1 z 1 -1
102 11 12 101 mp3an12 F -1 z F -1 z 1 1 F -1 z 1 -1
103 100 102 syl z * ¬ 0 z F -1 z 1 1 F -1 z 1 -1
104 97 103 mpbid z * ¬ 0 z F -1 z 1 -1
105 negneg1e1 -1 = 1
106 105 oveq2i 1 -1 = 1 1
107 104 106 eleqtrdi z * ¬ 0 z F -1 z 1 1
108 xle0neg2 z * 0 z z 0
109 108 notbid z * ¬ 0 z ¬ z 0
110 109 biimpa z * ¬ 0 z ¬ z 0
111 f1ocnvfv2 F : 0 1 1-1 onto 0 +∞ z 0 +∞ F F -1 z = z
112 22 94 111 sylancr z * ¬ 0 z F F -1 z = z
113 0elunit 0 0 1
114 ax-1ne0 1 0
115 neeq2 x = 0 1 x 1 0
116 114 115 mpbiri x = 0 1 x
117 116 necomd x = 0 x 1
118 ifnefalse x 1 if x = 1 +∞ x 1 x = x 1 x
119 117 118 syl x = 0 if x = 1 +∞ x 1 x = x 1 x
120 id x = 0 x = 0
121 oveq2 x = 0 1 x = 1 0
122 1m0e1 1 0 = 1
123 121 122 eqtrdi x = 0 1 x = 1
124 120 123 oveq12d x = 0 x 1 x = 0 1
125 ax-1cn 1
126 125 114 div0i 0 1 = 0
127 124 126 eqtrdi x = 0 x 1 x = 0
128 119 127 eqtrd x = 0 if x = 1 +∞ x 1 x = 0
129 c0ex 0 V
130 128 1 129 fvmpt 0 0 1 F 0 = 0
131 113 130 ax-mp F 0 = 0
132 131 a1i z * ¬ 0 z F 0 = 0
133 112 132 breq12d z * ¬ 0 z F F -1 z F 0 z 0
134 110 133 mtbird z * ¬ 0 z ¬ F F -1 z F 0
135 eqid ordTop 𝑡 0 +∞ = ordTop 𝑡 0 +∞
136 1 135 iccpnfhmeo F Isom < , < 0 1 0 +∞ F II Homeo ordTop 𝑡 0 +∞
137 136 simpli F Isom < , < 0 1 0 +∞
138 iccssxr 0 1 *
139 138 10 pm3.2i 0 1 * 0 +∞ *
140 leisorel F Isom < , < 0 1 0 +∞ 0 1 * 0 +∞ * F -1 z 0 1 0 0 1 F -1 z 0 F F -1 z F 0
141 137 139 140 mp3an12 F -1 z 0 1 0 0 1 F -1 z 0 F F -1 z F 0
142 96 113 141 sylancl z * ¬ 0 z F -1 z 0 F F -1 z F 0
143 134 142 mtbird z * ¬ 0 z ¬ F -1 z 0
144 100 le0neg1d z * ¬ 0 z F -1 z 0 0 F -1 z
145 143 144 mtbid z * ¬ 0 z ¬ 0 F -1 z
146 unitssre 0 1
147 146 96 sselid z * ¬ 0 z F -1 z
148 147 recnd z * ¬ 0 z F -1 z
149 148 negnegd z * ¬ 0 z F -1 z = F -1 z
150 149 fveq2d z * ¬ 0 z F F -1 z = F F -1 z
151 150 112 eqtrd z * ¬ 0 z F F -1 z = z
152 xnegeq F F -1 z = z F F -1 z = z
153 151 152 syl z * ¬ 0 z F F -1 z = z
154 xnegneg z * z = z
155 154 adantr z * ¬ 0 z z = z
156 153 155 eqtr2d z * ¬ 0 z z = F F -1 z
157 breq2 y = F -1 z 0 y 0 F -1 z
158 157 notbid y = F -1 z ¬ 0 y ¬ 0 F -1 z
159 negeq y = F -1 z y = F -1 z
160 159 fveq2d y = F -1 z F y = F F -1 z
161 xnegeq F y = F F -1 z F y = F F -1 z
162 160 161 syl y = F -1 z F y = F F -1 z
163 162 eqeq2d y = F -1 z z = F y z = F F -1 z
164 158 163 anbi12d y = F -1 z ¬ 0 y z = F y ¬ 0 F -1 z z = F F -1 z
165 164 rspcev F -1 z 1 1 ¬ 0 F -1 z z = F F -1 z y 1 1 ¬ 0 y z = F y
166 107 145 156 165 syl12anc z * ¬ 0 z y 1 1 ¬ 0 y z = F y
167 iffalse ¬ 0 y if 0 y F y F y = F y
168 167 eqeq2d ¬ 0 y z = if 0 y F y F y z = F y
169 168 biimpar ¬ 0 y z = F y z = if 0 y F y F y
170 169 reximi y 1 1 ¬ 0 y z = F y y 1 1 z = if 0 y F y F y
171 166 170 syl z * ¬ 0 z y 1 1 z = if 0 y F y F y
172 83 171 pm2.61dan z * y 1 1 z = if 0 y F y F y
173 51 172 mprgbir * z | y 1 1 z = if 0 y F y F y
174 2 rnmpt ran G = z | y 1 1 z = if 0 y F y F y
175 173 174 sseqtrri * ran G
176 50 175 eqssi ran G = *
177 dffo2 G : 1 1 onto * G : 1 1 * ran G = *
178 48 176 177 mpbir2an G : 1 1 onto *
179 breq1 F z = if 0 z F z F z F z < if 0 w F w F w if 0 z F z F z < if 0 w F w F w
180 breq1 F z = if 0 z F z F z F z < if 0 w F w F w if 0 z F z F z < if 0 w F w F w
181 simpl3 z 1 1 w 1 1 z < w 0 z z < w
182 simpl1 z 1 1 w 1 1 z < w 0 z z 1 1
183 simpr z 1 1 w 1 1 z < w 0 z 0 z
184 breq2 y = z 0 y 0 z
185 eleq1w y = z y 0 1 z 0 1
186 184 185 imbi12d y = z 0 y y 0 1 0 z z 0 1
187 20 ex y 1 1 0 y y 0 1
188 186 187 vtoclga z 1 1 0 z z 0 1
189 182 183 188 sylc z 1 1 w 1 1 z < w 0 z z 0 1
190 simpl2 z 1 1 w 1 1 z < w 0 z w 1 1
191 30 a1i z 1 1 w 1 1 z < w 0 z 0
192 99 182 sselid z 1 1 w 1 1 z < w 0 z z
193 99 190 sselid z 1 1 w 1 1 z < w 0 z w
194 192 193 181 ltled z 1 1 w 1 1 z < w 0 z z w
195 191 192 193 183 194 letrd z 1 1 w 1 1 z < w 0 z 0 w
196 breq2 y = w 0 y 0 w
197 eleq1w y = w y 0 1 w 0 1
198 196 197 imbi12d y = w 0 y y 0 1 0 w w 0 1
199 198 187 vtoclga w 1 1 0 w w 0 1
200 190 195 199 sylc z 1 1 w 1 1 z < w 0 z w 0 1
201 isorel F Isom < , < 0 1 0 +∞ z 0 1 w 0 1 z < w F z < F w
202 137 201 mpan z 0 1 w 0 1 z < w F z < F w
203 189 200 202 syl2anc z 1 1 w 1 1 z < w 0 z z < w F z < F w
204 181 203 mpbid z 1 1 w 1 1 z < w 0 z F z < F w
205 195 iftrued z 1 1 w 1 1 z < w 0 z if 0 w F w F w = F w
206 204 205 breqtrrd z 1 1 w 1 1 z < w 0 z F z < if 0 w F w F w
207 breq2 F w = if 0 w F w F w F z < F w F z < if 0 w F w F w
208 breq2 F w = if 0 w F w F w F z < F w F z < if 0 w F w F w
209 simpl1 z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z z 1 1
210 simpr z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 z
211 184 notbid y = z ¬ 0 y ¬ 0 z
212 negeq y = z y = z
213 212 eleq1d y = z y 0 1 z 0 1
214 211 213 imbi12d y = z ¬ 0 y y 0 1 ¬ 0 z z 0 1
215 42 ex y 1 1 ¬ 0 y y 0 1
216 214 215 vtoclga z 1 1 ¬ 0 z z 0 1
217 209 210 216 sylc z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z z 0 1
218 217 adantr z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w z 0 1
219 24 ffvelrni z 0 1 F z 0 +∞
220 218 219 syl z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w F z 0 +∞
221 10 220 sselid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w F z *
222 221 xnegcld z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w F z *
223 86 a1i z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w 0 *
224 simpll2 z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w w 1 1
225 simpr z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w 0 w
226 224 225 199 sylc z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w w 0 1
227 24 ffvelrni w 0 1 F w 0 +∞
228 226 227 syl z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w F w 0 +∞
229 10 228 sselid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w F w *
230 210 adantr z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w ¬ 0 z
231 simpll1 z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w z 1 1
232 99 231 sselid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w z
233 ltnle z 0 z < 0 ¬ 0 z
234 232 30 233 sylancl z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w z < 0 ¬ 0 z
235 230 234 mpbird z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w z < 0
236 232 lt0neg1d z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w z < 0 0 < z
237 235 236 mpbid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w 0 < z
238 isorel F Isom < , < 0 1 0 +∞ 0 0 1 z 0 1 0 < z F 0 < F z
239 137 238 mpan 0 0 1 z 0 1 0 < z F 0 < F z
240 113 218 239 sylancr z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w 0 < z F 0 < F z
241 237 240 mpbid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w F 0 < F z
242 131 241 eqbrtrrid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w 0 < F z
243 xlt0neg2 F z * 0 < F z F z < 0
244 221 243 syl z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w 0 < F z F z < 0
245 242 244 mpbid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w F z < 0
246 elxrge0 F w 0 +∞ F w * 0 F w
247 246 simprbi F w 0 +∞ 0 F w
248 228 247 syl z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w 0 F w
249 222 223 229 245 248 xrltletrd z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z 0 w F z < F w
250 simpll3 z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w z < w
251 simpll1 z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w z 1 1
252 99 251 sselid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w z
253 simpll2 z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w w 1 1
254 99 253 sselid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w w
255 252 254 ltnegd z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w z < w w < z
256 250 255 mpbid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w w < z
257 simpr z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w ¬ 0 w
258 196 notbid y = w ¬ 0 y ¬ 0 w
259 negeq y = w y = w
260 259 eleq1d y = w y 0 1 w 0 1
261 258 260 imbi12d y = w ¬ 0 y y 0 1 ¬ 0 w w 0 1
262 261 215 vtoclga w 1 1 ¬ 0 w w 0 1
263 253 257 262 sylc z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w w 0 1
264 217 adantr z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w z 0 1
265 isorel F Isom < , < 0 1 0 +∞ w 0 1 z 0 1 w < z F w < F z
266 137 265 mpan w 0 1 z 0 1 w < z F w < F z
267 263 264 266 syl2anc z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w w < z F w < F z
268 256 267 mpbid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w F w < F z
269 24 ffvelrni w 0 1 F w 0 +∞
270 263 269 syl z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w F w 0 +∞
271 10 270 sselid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w F w *
272 264 219 syl z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w F z 0 +∞
273 10 272 sselid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w F z *
274 xltneg F w * F z * F w < F z F z < F w
275 271 273 274 syl2anc z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w F w < F z F z < F w
276 268 275 mpbid z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z ¬ 0 w F z < F w
277 207 208 249 276 ifbothda z 1 1 w 1 1 z < w ¬ 0 z F z < if 0 w F w F w
278 179 180 206 277 ifbothda z 1 1 w 1 1 z < w if 0 z F z F z < if 0 w F w F w
279 278 3expia z 1 1 w 1 1 z < w if 0 z F z F z < if 0 w F w F w
280 fveq2 y = z F y = F z
281 212 fveq2d y = z F y = F z
282 xnegeq F y = F z F y = F z
283 281 282 syl y = z F y = F z
284 184 280 283 ifbieq12d y = z if 0 y F y F y = if 0 z F z F z
285 fvex F z V
286 xnegex F z V
287 285 286 ifex if 0 z F z F z V
288 284 2 287 fvmpt z 1 1 G z = if 0 z F z F z
289 fveq2 y = w F y = F w
290 259 fveq2d y = w F y = F w
291 xnegeq F y = F w F y = F w
292 290 291 syl y = w F y = F w
293 196 289 292 ifbieq12d y = w if 0 y F y F y = if 0 w F w F w
294 fvex F w V
295 xnegex F w V
296 294 295 ifex if 0 w F w F w V
297 293 2 296 fvmpt w 1 1 G w = if 0 w F w F w
298 288 297 breqan12d z 1 1 w 1 1 G z < G w if 0 z F z F z < if 0 w F w F w
299 279 298 sylibrd z 1 1 w 1 1 z < w G z < G w
300 299 rgen2 z 1 1 w 1 1 z < w G z < G w
301 soisoi < Or 1 1 < Po * G : 1 1 onto * z 1 1 w 1 1 z < w G z < G w G Isom < , < 1 1 *
302 7 9 178 300 301 mp4an G Isom < , < 1 1 *
303 letsr TosetRel
304 303 elexi V
305 304 inex1 1 1 × 1 1 V
306 ssid * *
307 leiso 1 1 * * * G Isom < , < 1 1 * G Isom , 1 1 *
308 4 306 307 mp2an G Isom < , < 1 1 * G Isom , 1 1 *
309 302 308 mpbi G Isom , 1 1 *
310 isores1 G Isom , 1 1 * G Isom 1 1 × 1 1 , 1 1 *
311 309 310 mpbi G Isom 1 1 × 1 1 , 1 1 *
312 tsrps TosetRel PosetRel
313 303 312 ax-mp PosetRel
314 ledm * = dom
315 314 psssdm PosetRel 1 1 * dom 1 1 × 1 1 = 1 1
316 313 4 315 mp2an dom 1 1 × 1 1 = 1 1
317 316 eqcomi 1 1 = dom 1 1 × 1 1
318 317 314 ordthmeo 1 1 × 1 1 V TosetRel G Isom 1 1 × 1 1 , 1 1 * G ordTop 1 1 × 1 1 Homeo ordTop
319 305 303 311 318 mp3an G ordTop 1 1 × 1 1 Homeo ordTop
320 eqid ordTop = ordTop
321 3 320 xrrest2 1 1 J 𝑡 1 1 = ordTop 𝑡 1 1
322 99 321 ax-mp J 𝑡 1 1 = ordTop 𝑡 1 1
323 ordtresticc ordTop 𝑡 1 1 = ordTop 1 1 × 1 1
324 322 323 eqtri J 𝑡 1 1 = ordTop 1 1 × 1 1
325 324 oveq1i J 𝑡 1 1 Homeo ordTop = ordTop 1 1 × 1 1 Homeo ordTop
326 319 325 eleqtrri G J 𝑡 1 1 Homeo ordTop
327 302 326 pm3.2i G Isom < , < 1 1 * G J 𝑡 1 1 Homeo ordTop