Metamath Proof Explorer


Theorem icchmeo

Description: The natural bijection from [ 0 , 1 ] to an arbitrary nontrivial closed interval [ A , B ] is a homeomorphism. (Contributed by Mario Carneiro, 8-Sep-2015) Avoid ax-mulf . (Revised by GG, 16-Mar-2025)

Ref Expression
Hypotheses icchmeo.j โŠข ๐ฝ = ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld )
icchmeo.f โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ( ๐‘ฅ ยท ๐ต ) + ( ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) ยท ๐ด ) ) )
Assertion icchmeo ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐น โˆˆ ( II Homeo ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 icchmeo.j โŠข ๐ฝ = ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld )
2 icchmeo.f โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ( ๐‘ฅ ยท ๐ต ) + ( ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) ยท ๐ด ) ) )
3 iitopon โŠข II โˆˆ ( TopOn โ€˜ ( 0 [,] 1 ) )
4 3 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ II โˆˆ ( TopOn โ€˜ ( 0 [,] 1 ) ) )
5 1 dfii3 โŠข II = ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) )
6 5 eqcomi โŠข ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) ) = II
7 6 oveq2i โŠข ( II Cn ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) ) ) = ( II Cn II )
8 1 cnfldtop โŠข ๐ฝ โˆˆ Top
9 cnrest2r โŠข ( ๐ฝ โˆˆ Top โ†’ ( II Cn ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) ) ) โІ ( II Cn ๐ฝ ) )
10 8 9 ax-mp โŠข ( II Cn ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) ) ) โІ ( II Cn ๐ฝ )
11 7 10 eqsstrri โŠข ( II Cn II ) โІ ( II Cn ๐ฝ )
12 4 cnmptid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ๐‘ฅ ) โˆˆ ( II Cn II ) )
13 11 12 sselid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ๐‘ฅ ) โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
14 1 cnfldtopon โŠข ๐ฝ โˆˆ ( TopOn โ€˜ โ„‚ )
15 14 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐ฝ โˆˆ ( TopOn โ€˜ โ„‚ ) )
16 simp2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐ต โˆˆ โ„ )
17 16 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐ต โˆˆ โ„‚ )
18 4 15 17 cnmptc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ๐ต ) โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
19 1 mpomulcn โŠข ( ๐‘ข โˆˆ โ„‚ , ๐‘ฃ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ข ยท ๐‘ฃ ) ) โˆˆ ( ( ๐ฝ ร—t ๐ฝ ) Cn ๐ฝ )
20 19 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ข โˆˆ โ„‚ , ๐‘ฃ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ข ยท ๐‘ฃ ) ) โˆˆ ( ( ๐ฝ ร—t ๐ฝ ) Cn ๐ฝ ) )
21 oveq12 โŠข ( ( ๐‘ข = ๐‘ฅ โˆง ๐‘ฃ = ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ข ยท ๐‘ฃ ) = ( ๐‘ฅ ยท ๐ต ) )
22 4 13 18 15 15 20 21 cnmpt12 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ๐‘ฅ ยท ๐ต ) ) โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
23 1cnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ 1 โˆˆ โ„‚ )
24 4 15 23 cnmptc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ 1 ) โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
25 1 subcn โŠข โˆ’ โˆˆ ( ( ๐ฝ ร—t ๐ฝ ) Cn ๐ฝ )
26 25 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ โˆ’ โˆˆ ( ( ๐ฝ ร—t ๐ฝ ) Cn ๐ฝ ) )
27 4 24 13 26 cnmpt12f โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
28 simp1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
29 28 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
30 4 15 29 cnmptc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ๐ด ) โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
31 oveq12 โŠข ( ( ๐‘ข = ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) โˆง ๐‘ฃ = ๐ด ) โ†’ ( ๐‘ข ยท ๐‘ฃ ) = ( ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) ยท ๐ด ) )
32 4 27 30 15 15 20 31 cnmpt12 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) ยท ๐ด ) ) โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
33 1 addcn โŠข + โˆˆ ( ( ๐ฝ ร—t ๐ฝ ) Cn ๐ฝ )
34 33 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ + โˆˆ ( ( ๐ฝ ร—t ๐ฝ ) Cn ๐ฝ ) )
35 4 22 32 34 cnmpt12f โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ( ๐‘ฅ ยท ๐ต ) + ( ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) ยท ๐ด ) ) ) โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
36 2 35 eqeltrid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐น โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) )
37 2 iccf1o โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐น : ( 0 [,] 1 ) โ€“1-1-ontoโ†’ ( ๐ด [,] ๐ต ) โˆง โ—ก ๐น = ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†ฆ ( ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐ด ) / ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) ) ) ) )
38 37 simpld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐น : ( 0 [,] 1 ) โ€“1-1-ontoโ†’ ( ๐ด [,] ๐ต ) )
39 f1of โŠข ( ๐น : ( 0 [,] 1 ) โ€“1-1-ontoโ†’ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†’ ๐น : ( 0 [,] 1 ) โŸถ ( ๐ด [,] ๐ต ) )
40 frn โŠข ( ๐น : ( 0 [,] 1 ) โŸถ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†’ ran ๐น โІ ( ๐ด [,] ๐ต ) )
41 38 39 40 3syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ran ๐น โІ ( ๐ด [,] ๐ต ) )
42 iccssre โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ๐ด [,] ๐ต ) โІ โ„ )
43 42 3adant3 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐ด [,] ๐ต ) โІ โ„ )
44 ax-resscn โŠข โ„ โІ โ„‚
45 43 44 sstrdi โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐ด [,] ๐ต ) โІ โ„‚ )
46 cnrest2 โŠข ( ( ๐ฝ โˆˆ ( TopOn โ€˜ โ„‚ ) โˆง ran ๐น โІ ( ๐ด [,] ๐ต ) โˆง ( ๐ด [,] ๐ต ) โІ โ„‚ ) โ†’ ( ๐น โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) โ†” ๐น โˆˆ ( II Cn ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) ) )
47 14 41 45 46 mp3an2i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐น โˆˆ ( II Cn ๐ฝ ) โ†” ๐น โˆˆ ( II Cn ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) ) )
48 36 47 mpbid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐น โˆˆ ( II Cn ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) )
49 37 simprd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ โ—ก ๐น = ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†ฆ ( ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐ด ) / ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) ) ) )
50 resttopon โŠข ( ( ๐ฝ โˆˆ ( TopOn โ€˜ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด [,] ๐ต ) โІ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) โˆˆ ( TopOn โ€˜ ( ๐ด [,] ๐ต ) ) )
51 14 45 50 sylancr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) โˆˆ ( TopOn โ€˜ ( ๐ด [,] ๐ต ) ) )
52 cnrest2r โŠข ( ๐ฝ โˆˆ Top โ†’ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) โІ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ ) )
53 8 52 ax-mp โŠข ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) โІ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ )
54 51 cnmptid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†ฆ ๐‘ฆ ) โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) )
55 53 54 sselid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†ฆ ๐‘ฆ ) โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ ) )
56 51 15 29 cnmptc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†ฆ ๐ด ) โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ ) )
57 51 55 56 26 cnmpt12f โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†ฆ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐ด ) ) โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ ) )
58 difrp โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ๐ด < ๐ต โ†” ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) โˆˆ โ„+ ) )
59 58 biimp3a โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) โˆˆ โ„+ )
60 rpcnne0 โŠข ( ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) โˆˆ โ„+ โ†’ ( ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) โ‰  0 ) )
61 1 divccn โŠข ( ( ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) โ‰  0 ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ / ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) ) ) โˆˆ ( ๐ฝ Cn ๐ฝ ) )
62 59 60 61 3syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ / ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) ) ) โˆˆ ( ๐ฝ Cn ๐ฝ ) )
63 oveq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐ด ) โ†’ ( ๐‘ฅ / ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) ) = ( ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐ด ) / ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) ) )
64 51 57 15 62 63 cnmpt11 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†ฆ ( ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐ด ) / ( ๐ต โˆ’ ๐ด ) ) ) โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ ) )
65 49 64 eqeltrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ โ—ก ๐น โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ ) )
66 dfdm4 โŠข dom ๐น = ran โ—ก ๐น
67 66 eqimss2i โŠข ran โ—ก ๐น โІ dom ๐น
68 f1odm โŠข ( ๐น : ( 0 [,] 1 ) โ€“1-1-ontoโ†’ ( ๐ด [,] ๐ต ) โ†’ dom ๐น = ( 0 [,] 1 ) )
69 38 68 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ dom ๐น = ( 0 [,] 1 ) )
70 67 69 sseqtrid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ran โ—ก ๐น โІ ( 0 [,] 1 ) )
71 unitsscn โŠข ( 0 [,] 1 ) โІ โ„‚
72 71 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( 0 [,] 1 ) โІ โ„‚ )
73 cnrest2 โŠข ( ( ๐ฝ โˆˆ ( TopOn โ€˜ โ„‚ ) โˆง ran โ—ก ๐น โІ ( 0 [,] 1 ) โˆง ( 0 [,] 1 ) โІ โ„‚ ) โ†’ ( โ—ก ๐น โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ ) โ†” โ—ก ๐น โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) ) ) ) )
74 14 70 72 73 mp3an2i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ( โ—ก ๐น โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ๐ฝ ) โ†” โ—ก ๐น โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) ) ) ) )
75 65 74 mpbid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ โ—ก ๐น โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) ) ) )
76 5 oveq2i โŠข ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn II ) = ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn ( ๐ฝ โ†พt ( 0 [,] 1 ) ) )
77 75 76 eleqtrrdi โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ โ—ก ๐น โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn II ) )
78 ishmeo โŠข ( ๐น โˆˆ ( II Homeo ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) โ†” ( ๐น โˆˆ ( II Cn ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) โˆง โ—ก ๐น โˆˆ ( ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) Cn II ) ) )
79 48 77 78 sylanbrc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐ต โˆˆ โ„ โˆง ๐ด < ๐ต ) โ†’ ๐น โˆˆ ( II Homeo ( ๐ฝ โ†พt ( ๐ด [,] ๐ต ) ) ) )