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Theorem hpgerlem

Description: Lemma for the proof that the half-plane relation is an equivalence relation. Lemma 9.10 of Schwabhauser p. 72. (Contributed by Thierry Arnoux, 4-Mar-2020)

Ref Expression
Hypotheses hpgid.p 𝑃 = ( Base ‘ 𝐺 )
hpgid.i 𝐼 = ( Itv ‘ 𝐺 )
hpgid.l 𝐿 = ( LineG ‘ 𝐺 )
hpgid.g ( 𝜑𝐺 ∈ TarskiG )
hpgid.d ( 𝜑𝐷 ∈ ran 𝐿 )
hpgid.a ( 𝜑𝐴𝑃 )
hpgid.o 𝑂 = { ⟨ 𝑎 , 𝑏 ⟩ ∣ ( ( 𝑎 ∈ ( 𝑃𝐷 ) ∧ 𝑏 ∈ ( 𝑃𝐷 ) ) ∧ ∃ 𝑡𝐷 𝑡 ∈ ( 𝑎 𝐼 𝑏 ) ) }
hpgid.1 ( 𝜑 → ¬ 𝐴𝐷 )
Assertion hpgerlem ( 𝜑 → ∃ 𝑐𝑃 𝐴 𝑂 𝑐 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 hpgid.p 𝑃 = ( Base ‘ 𝐺 )
2 hpgid.i 𝐼 = ( Itv ‘ 𝐺 )
3 hpgid.l 𝐿 = ( LineG ‘ 𝐺 )
4 hpgid.g ( 𝜑𝐺 ∈ TarskiG )
5 hpgid.d ( 𝜑𝐷 ∈ ran 𝐿 )
6 hpgid.a ( 𝜑𝐴𝑃 )
7 hpgid.o 𝑂 = { ⟨ 𝑎 , 𝑏 ⟩ ∣ ( ( 𝑎 ∈ ( 𝑃𝐷 ) ∧ 𝑏 ∈ ( 𝑃𝐷 ) ) ∧ ∃ 𝑡𝐷 𝑡 ∈ ( 𝑎 𝐼 𝑏 ) ) }
8 hpgid.1 ( 𝜑 → ¬ 𝐴𝐷 )
9 3 4 5 tglnne0 ( 𝜑𝐷 ≠ ∅ )
10 n0 ( 𝐷 ≠ ∅ ↔ ∃ 𝑥 𝑥𝐷 )
11 9 10 sylib ( 𝜑 → ∃ 𝑥 𝑥𝐷 )
12 eqid ( dist ‘ 𝐺 ) = ( dist ‘ 𝐺 )
13 4 adantr ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 𝐺 ∈ TarskiG )
14 6 adantr ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 𝐴𝑃 )
15 5 adantr ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 𝐷 ∈ ran 𝐿 )
16 simpr ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 𝑥𝐷 )
17 1 3 2 13 15 16 tglnpt ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 𝑥𝑃 )
18 5 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( ♯ ‘ 𝑃 ) = 1 ) → 𝐷 ∈ ran 𝐿 )
19 4 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( ♯ ‘ 𝑃 ) = 1 ) → 𝐺 ∈ TarskiG )
20 simpr ( ( 𝜑 ∧ ( ♯ ‘ 𝑃 ) = 1 ) → ( ♯ ‘ 𝑃 ) = 1 )
21 1 2 3 19 20 tglndim0 ( ( 𝜑 ∧ ( ♯ ‘ 𝑃 ) = 1 ) → ¬ 𝐷 ∈ ran 𝐿 )
22 18 21 pm2.65da ( 𝜑 → ¬ ( ♯ ‘ 𝑃 ) = 1 )
23 1 6 tgldimor ( 𝜑 → ( ( ♯ ‘ 𝑃 ) = 1 ∨ 2 ≤ ( ♯ ‘ 𝑃 ) ) )
24 23 ord ( 𝜑 → ( ¬ ( ♯ ‘ 𝑃 ) = 1 → 2 ≤ ( ♯ ‘ 𝑃 ) ) )
25 22 24 mpd ( 𝜑 → 2 ≤ ( ♯ ‘ 𝑃 ) )
26 25 adantr ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 2 ≤ ( ♯ ‘ 𝑃 ) )
27 1 12 2 13 14 17 26 tgbtwndiff ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → ∃ 𝑐𝑃 ( 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ∧ 𝑥𝑐 ) )
28 8 ad4antr ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) → ¬ 𝐴𝐷 )
29 13 ad4antr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝐺 ∈ TarskiG )
30 17 ad4antr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝑥𝑃 )
31 simpr ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) → 𝑐𝑃 )
32 31 ad3antrrr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝑐𝑃 )
33 14 ad4antr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝐴𝑃 )
34 simplr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝑥𝑐 )
35 simplr ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) → 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) )
36 35 adantr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) )
37 1 2 3 29 30 32 33 34 36 btwnlng2 ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝐴 ∈ ( 𝑥 𝐿 𝑐 ) )
38 15 ad4antr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝐷 ∈ ran 𝐿 )
39 16 ad4antr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝑥𝐷 )
40 simpr ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝑐𝐷 )
41 1 2 3 29 30 32 34 34 38 39 40 tglinethru ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝐷 = ( 𝑥 𝐿 𝑐 ) )
42 37 41 eleqtrrd ( ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) ∧ 𝑐𝐷 ) → 𝐴𝐷 )
43 28 42 mtand ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) → ¬ 𝑐𝐷 )
44 eleq1w ( 𝑡 = 𝑥 → ( 𝑡 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ↔ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) )
45 44 rspcev ( ( 𝑥𝐷𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) → ∃ 𝑡𝐷 𝑡 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) )
46 45 ad5ant24 ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) → ∃ 𝑡𝐷 𝑡 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) )
47 28 43 46 jca31 ( ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ∧ 𝑥𝑐 ) → ( ( ¬ 𝐴𝐷 ∧ ¬ 𝑐𝐷 ) ∧ ∃ 𝑡𝐷 𝑡 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) )
48 47 anasss ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ ( 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ∧ 𝑥𝑐 ) ) → ( ( ¬ 𝐴𝐷 ∧ ¬ 𝑐𝐷 ) ∧ ∃ 𝑡𝐷 𝑡 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) )
49 14 adantr ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) → 𝐴𝑃 )
50 1 12 2 7 49 31 islnopp ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) → ( 𝐴 𝑂 𝑐 ↔ ( ( ¬ 𝐴𝐷 ∧ ¬ 𝑐𝐷 ) ∧ ∃ 𝑡𝐷 𝑡 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ) )
51 50 adantr ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ ( 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ∧ 𝑥𝑐 ) ) → ( 𝐴 𝑂 𝑐 ↔ ( ( ¬ 𝐴𝐷 ∧ ¬ 𝑐𝐷 ) ∧ ∃ 𝑡𝐷 𝑡 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ) ) )
52 48 51 mpbird ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) ∧ ( 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ∧ 𝑥𝑐 ) ) → 𝐴 𝑂 𝑐 )
53 52 ex ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑐𝑃 ) → ( ( 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ∧ 𝑥𝑐 ) → 𝐴 𝑂 𝑐 ) )
54 53 reximdva ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → ( ∃ 𝑐𝑃 ( 𝑥 ∈ ( 𝐴 𝐼 𝑐 ) ∧ 𝑥𝑐 ) → ∃ 𝑐𝑃 𝐴 𝑂 𝑐 ) )
55 27 54 mpd ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → ∃ 𝑐𝑃 𝐴 𝑂 𝑐 )
56 11 55 exlimddv ( 𝜑 → ∃ 𝑐𝑃 𝐴 𝑂 𝑐 )