Metamath Proof Explorer

Theorem ballotlemsel1i

Description: The range ( 1 ... ( IC ) ) is invariant under ( SC ) . (Contributed by Thierry Arnoux, 28-Apr-2017)

Ref Expression
Hypotheses ballotth.m ⊢ 𝑀 ∈ ℕ
ballotth.n ⊢ 𝑁 ∈ ℕ
ballotth.o ⊢ 𝑂 = { 𝑐 ∈ 𝒫 ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∣ ( ♯ ‘ 𝑐 ) = 𝑀 }
ballotth.p ⊢ 𝑃 = ( 𝑥 ∈ 𝒫 𝑂 ↦ ( ( ♯ ‘ 𝑥 ) / ( ♯ ‘ 𝑂 ) ) )
ballotth.f ⊢ 𝐹 = ( 𝑐 ∈ 𝑂 ↦ ( 𝑖 ∈ ℤ ↦ ( ( ♯ ‘ ( ( 1 ... 𝑖 ) ∩ 𝑐 ) ) − ( ♯ ‘ ( ( 1 ... 𝑖 ) ∖ 𝑐 ) ) ) ) )
ballotth.e ⊢ 𝐸 = { 𝑐 ∈ 𝑂 ∣ ∀ 𝑖 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) 0 < ( ( 𝐹 ‘ 𝑐 ) ‘ 𝑖 ) }
ballotth.mgtn ⊢ 𝑁 < 𝑀
ballotth.i ⊢ 𝐼 = ( 𝑐 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ↦ inf ( { 𝑘 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∣ ( ( 𝐹 ‘ 𝑐 ) ‘ 𝑘 ) = 0 } , ℝ , < ) )
ballotth.s ⊢ 𝑆 = ( 𝑐 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ↦ ( 𝑖 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ↦ if ( 𝑖 ≤ ( 𝐼 ‘ 𝑐 ) , ( ( ( 𝐼 ‘ 𝑐 ) + 1 ) − 𝑖 ) , 𝑖 ) ) )
Assertion ballotlemsel1i ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ballotth.m ⊢ 𝑀 ∈ ℕ
2 ballotth.n ⊢ 𝑁 ∈ ℕ
3 ballotth.o ⊢ 𝑂 = { 𝑐 ∈ 𝒫 ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∣ ( ♯ ‘ 𝑐 ) = 𝑀 }
4 ballotth.p ⊢ 𝑃 = ( 𝑥 ∈ 𝒫 𝑂 ↦ ( ( ♯ ‘ 𝑥 ) / ( ♯ ‘ 𝑂 ) ) )
5 ballotth.f ⊢ 𝐹 = ( 𝑐 ∈ 𝑂 ↦ ( 𝑖 ∈ ℤ ↦ ( ( ♯ ‘ ( ( 1 ... 𝑖 ) ∩ 𝑐 ) ) − ( ♯ ‘ ( ( 1 ... 𝑖 ) ∖ 𝑐 ) ) ) ) )
6 ballotth.e ⊢ 𝐸 = { 𝑐 ∈ 𝑂 ∣ ∀ 𝑖 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) 0 < ( ( 𝐹 ‘ 𝑐 ) ‘ 𝑖 ) }
7 ballotth.mgtn ⊢ 𝑁 < 𝑀
8 ballotth.i ⊢ 𝐼 = ( 𝑐 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ↦ inf ( { 𝑘 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∣ ( ( 𝐹 ‘ 𝑐 ) ‘ 𝑘 ) = 0 } , ℝ , < ) )
9 ballotth.s ⊢ 𝑆 = ( 𝑐 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ↦ ( 𝑖 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ↦ if ( 𝑖 ≤ ( 𝐼 ‘ 𝑐 ) , ( ( ( 𝐼 ‘ 𝑐 ) + 1 ) − 𝑖 ) , 𝑖 ) ) )
10 1zzd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 1 ∈ ℤ )
11 1 2 3 4 5 6 7 8 ballotlemiex ⊢ ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) → ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ∧ ( ( 𝐹 ‘ 𝐶 ) ‘ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) = 0 ) )
12 11 simpld ⊢ ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) → ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) )
13 12 elfzelzd ⊢ ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) → ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ℤ )
14 13 adantr ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ℤ )
15 nnaddcl ⊢ ( ( 𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ ℕ ) → ( 𝑀 + 𝑁 ) ∈ ℕ )
16 1 2 15 mp2an ⊢ ( 𝑀 + 𝑁 ) ∈ ℕ
17 16 nnzi ⊢ ( 𝑀 + 𝑁 ) ∈ ℤ
18 17 a1i ⊢ ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) → ( 𝑀 + 𝑁 ) ∈ ℤ )
19 elfzle2 ⊢ ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) → ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ≤ ( 𝑀 + 𝑁 ) )
20 12 19 syl ⊢ ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) → ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ≤ ( 𝑀 + 𝑁 ) )
21 eluz2 ⊢ ( ( 𝑀 + 𝑁 ) ∈ ( ℤ≥ ‘ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ↔ ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ℤ ∧ ( 𝑀 + 𝑁 ) ∈ ℤ ∧ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ≤ ( 𝑀 + 𝑁 ) ) )
22 13 18 20 21 syl3anbrc ⊢ ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) → ( 𝑀 + 𝑁 ) ∈ ( ℤ≥ ‘ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) )
23 fzss2 ⊢ ( ( 𝑀 + 𝑁 ) ∈ ( ℤ≥ ‘ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) → ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ⊆ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) )
24 22 23 syl ⊢ ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) → ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ⊆ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) )
25 24 sselda ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) )
26 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ballotlemsdom ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) )
27 25 26 syldan ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) )
28 27 elfzelzd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) ∈ ℤ )
29 elfzelz ⊢ ( 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) → 𝐽 ∈ ℤ )
30 29 adantl ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 𝐽 ∈ ℤ )
31 30 zred ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 𝐽 ∈ ℝ )
32 14 zred ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ℝ )
33 1red ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 1 ∈ ℝ )
34 32 33 readdcld ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) ∈ ℝ )
35 elfzle2 ⊢ ( 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) → 𝐽 ≤ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) )
36 35 adantl ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 𝐽 ≤ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) )
37 14 zcnd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ℂ )
38 1cnd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 1 ∈ ℂ )
39 37 38 pncand ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 1 ) = ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) )
40 36 39 breqtrrd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 𝐽 ≤ ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 1 ) )
41 31 34 33 40 lesubd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 1 ≤ ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 𝐽 ) )
42 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ballotlemsv ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) = if ( 𝐽 ≤ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) , ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 𝐽 ) , 𝐽 ) )
43 25 42 syldan ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) = if ( 𝐽 ≤ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) , ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 𝐽 ) , 𝐽 ) )
44 36 iftrued ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → if ( 𝐽 ≤ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) , ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 𝐽 ) , 𝐽 ) = ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 𝐽 ) )
45 43 44 eqtrd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) = ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 𝐽 ) )
46 41 45 breqtrrd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → 1 ≤ ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) )
47 13 adantr ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ) → ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ∈ ℤ )
48 elfznn ⊢ ( 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) → 𝐽 ∈ ℕ )
49 48 adantl ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ) → 𝐽 ∈ ℕ )
50 47 49 ltesubnnd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝑀 + 𝑁 ) ) ) → ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 𝐽 ) ≤ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) )
51 25 50 syldan ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) + 1 ) − 𝐽 ) ≤ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) )
52 45 51 eqbrtrd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) ≤ ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) )
53 10 14 28 46 52 elfzd ⊢ ( ( 𝐶 ∈ ( 𝑂 ∖ 𝐸 ) ∧ 𝐽 ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) ) → ( ( 𝑆 ‘ 𝐶 ) ‘ 𝐽 ) ∈ ( 1 ... ( 𝐼 ‘ 𝐶 ) ) )