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Theorem ist1-2

Description: An alternate characterization of T_1 spaces. (Contributed by Jeff Hankins, 31-Jan-2010) (Proof shortened by Mario Carneiro, 24-Aug-2015)

Ref Expression
Assertion ist1-2 ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → ( 𝐽 ∈ Fre ↔ ∀ 𝑥𝑋𝑦𝑋 ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 topontop ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → 𝐽 ∈ Top )
2 eqid 𝐽 = 𝐽
3 2 ist1 ( 𝐽 ∈ Fre ↔ ( 𝐽 ∈ Top ∧ ∀ 𝑦 𝐽 { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ) )
4 3 baib ( 𝐽 ∈ Top → ( 𝐽 ∈ Fre ↔ ∀ 𝑦 𝐽 { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ) )
5 1 4 syl ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → ( 𝐽 ∈ Fre ↔ ∀ 𝑦 𝐽 { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ) )
6 toponuni ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → 𝑋 = 𝐽 )
7 6 raleqdv ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → ( ∀ 𝑦𝑋 { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ↔ ∀ 𝑦 𝐽 { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ) )
8 1 adantr ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → 𝐽 ∈ Top )
9 eltop2 ( 𝐽 ∈ Top → ( ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ∈ 𝐽 ↔ ∀ 𝑥 ∈ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) )
10 8 9 syl ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → ( ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ∈ 𝐽 ↔ ∀ 𝑥 ∈ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) )
11 6 eleq2d ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → ( 𝑦𝑋𝑦 𝐽 ) )
12 11 biimpa ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → 𝑦 𝐽 )
13 12 snssd ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → { 𝑦 } ⊆ 𝐽 )
14 2 iscld2 ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ { 𝑦 } ⊆ 𝐽 ) → ( { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ↔ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ∈ 𝐽 ) )
15 8 13 14 syl2anc ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → ( { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ↔ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ∈ 𝐽 ) )
16 6 adantr ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → 𝑋 = 𝐽 )
17 16 eleq2d ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → ( 𝑥𝑋𝑥 𝐽 ) )
18 17 imbi1d ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → ( ( 𝑥𝑋 → ( 𝑥𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ) ↔ ( 𝑥 𝐽 → ( 𝑥𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ) ) )
19 con1b ( ( ¬ 𝑥 = 𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ↔ ( ¬ ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) → 𝑥 = 𝑦 ) )
20 df-ne ( 𝑥𝑦 ↔ ¬ 𝑥 = 𝑦 )
21 20 imbi1i ( ( 𝑥𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ↔ ( ¬ 𝑥 = 𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) )
22 disjsn ( ( 𝑜 ∩ { 𝑦 } ) = ∅ ↔ ¬ 𝑦𝑜 )
23 elssuni ( 𝑜𝐽𝑜 𝐽 )
24 reldisj ( 𝑜 𝐽 → ( ( 𝑜 ∩ { 𝑦 } ) = ∅ ↔ 𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) )
25 23 24 syl ( 𝑜𝐽 → ( ( 𝑜 ∩ { 𝑦 } ) = ∅ ↔ 𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) )
26 22 25 bitr3id ( 𝑜𝐽 → ( ¬ 𝑦𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) )
27 26 anbi2d ( 𝑜𝐽 → ( ( 𝑥𝑜 ∧ ¬ 𝑦𝑜 ) ↔ ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) )
28 27 rexbiia ( ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜 ∧ ¬ 𝑦𝑜 ) ↔ ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) )
29 rexanali ( ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜 ∧ ¬ 𝑦𝑜 ) ↔ ¬ ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) )
30 28 29 bitr3i ( ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ↔ ¬ ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) )
31 30 con2bii ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) ↔ ¬ ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) )
32 31 imbi1i ( ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ↔ ( ¬ ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) → 𝑥 = 𝑦 ) )
33 19 21 32 3bitr4ri ( ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ↔ ( 𝑥𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) )
34 33 imbi2i ( ( 𝑥𝑋 → ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ) ↔ ( 𝑥𝑋 → ( 𝑥𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ) )
35 eldifsn ( 𝑥 ∈ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ↔ ( 𝑥 𝐽𝑥𝑦 ) )
36 35 imbi1i ( ( 𝑥 ∈ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ↔ ( ( 𝑥 𝐽𝑥𝑦 ) → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) )
37 impexp ( ( ( 𝑥 𝐽𝑥𝑦 ) → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ↔ ( 𝑥 𝐽 → ( 𝑥𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ) )
38 36 37 bitri ( ( 𝑥 ∈ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ↔ ( 𝑥 𝐽 → ( 𝑥𝑦 → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ) )
39 18 34 38 3bitr4g ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → ( ( 𝑥𝑋 → ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ) ↔ ( 𝑥 ∈ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) → ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) ) )
40 39 ralbidv2 ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → ( ∀ 𝑥𝑋 ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ↔ ∀ 𝑥 ∈ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ∃ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑜 ⊆ ( 𝐽 ∖ { 𝑦 } ) ) ) )
41 10 15 40 3bitr4d ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑦𝑋 ) → ( { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ↔ ∀ 𝑥𝑋 ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ) )
42 41 ralbidva ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → ( ∀ 𝑦𝑋 { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ↔ ∀ 𝑦𝑋𝑥𝑋 ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ) )
43 ralcom ( ∀ 𝑦𝑋𝑥𝑋 ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ↔ ∀ 𝑥𝑋𝑦𝑋 ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) )
44 42 43 bitrdi ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → ( ∀ 𝑦𝑋 { 𝑦 } ∈ ( Clsd ‘ 𝐽 ) ↔ ∀ 𝑥𝑋𝑦𝑋 ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ) )
45 5 7 44 3bitr2d ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → ( 𝐽 ∈ Fre ↔ ∀ 𝑥𝑋𝑦𝑋 ( ∀ 𝑜𝐽 ( 𝑥𝑜𝑦𝑜 ) → 𝑥 = 𝑦 ) ) )