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Theorem iunconn

Description: The indexed union of connected overlapping subspaces sharing a common point is connected. (Contributed by Mario Carneiro, 11-Jun-2014)

Ref Expression
Hypotheses iunconn.2 ( 𝜑𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) )
iunconn.3 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → 𝐵𝑋 )
iunconn.4 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → 𝑃𝐵 )
iunconn.5 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → ( 𝐽t 𝐵 ) ∈ Conn )
Assertion iunconn ( 𝜑 → ( 𝐽t 𝑘𝐴 𝐵 ) ∈ Conn )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 iunconn.2 ( 𝜑𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) )
2 iunconn.3 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → 𝐵𝑋 )
3 iunconn.4 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → 𝑃𝐵 )
4 iunconn.5 ( ( 𝜑𝑘𝐴 ) → ( 𝐽t 𝐵 ) ∈ Conn )
5 simpr ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) )
6 simplr1 ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ )
7 n0 ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ↔ ∃ 𝑣 𝑣 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) )
8 elinel2 ( 𝑣 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) → 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 )
9 eliun ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ↔ ∃ 𝑘𝐴 𝑣𝐵 )
10 rexn0 ( ∃ 𝑘𝐴 𝑣𝐵𝐴 ≠ ∅ )
11 9 10 sylbi ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵𝐴 ≠ ∅ )
12 8 11 syl ( 𝑣 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) → 𝐴 ≠ ∅ )
13 12 exlimiv ( ∃ 𝑣 𝑣 ∈ ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) → 𝐴 ≠ ∅ )
14 7 13 sylbi ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ → 𝐴 ≠ ∅ )
15 6 14 syl ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝐴 ≠ ∅ )
16 simplll ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝜑 )
17 3 ralrimiva ( 𝜑 → ∀ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
18 16 17 syl ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ∀ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
19 r19.2z ( ( 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 ) → ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
20 15 18 19 syl2anc ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
21 eliun ( 𝑃 𝑘𝐴 𝐵 ↔ ∃ 𝑘𝐴 𝑃𝐵 )
22 20 21 sylibr ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝑃 𝑘𝐴 𝐵 )
23 5 22 sseldd ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝑃 ∈ ( 𝑢𝑣 ) )
24 elun ( 𝑃 ∈ ( 𝑢𝑣 ) ↔ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
25 23 24 sylib ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
26 16 1 syl ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) )
27 16 2 sylan ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ∧ 𝑘𝐴 ) → 𝐵𝑋 )
28 16 3 sylan ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ∧ 𝑘𝐴 ) → 𝑃𝐵 )
29 16 4 sylan ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ∧ 𝑘𝐴 ) → ( 𝐽t 𝐵 ) ∈ Conn )
30 simpllr ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) )
31 30 simpld ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝑢𝐽 )
32 30 simprd ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝑣𝐽 )
33 simplr2 ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ )
34 simplr3 ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) )
35 nfv 𝑘 ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) )
36 nfcv 𝑘 𝑢
37 nfiu1 𝑘 𝑘𝐴 𝐵
38 36 37 nfin 𝑘 ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 )
39 nfcv 𝑘
40 38 39 nfne 𝑘 ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅
41 nfcv 𝑘 𝑣
42 41 37 nfin 𝑘 ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 )
43 42 39 nfne 𝑘 ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅
44 nfcv 𝑘 ( 𝑢𝑣 )
45 nfcv 𝑘 𝑋
46 45 37 nfdif 𝑘 ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 )
47 44 46 nfss 𝑘 ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 )
48 40 43 47 nf3an 𝑘 ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) )
49 35 48 nfan 𝑘 ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) )
50 36 41 nfun 𝑘 ( 𝑢𝑣 )
51 37 50 nfss 𝑘 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 )
52 49 51 nfan 𝑘 ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) )
53 26 27 28 29 31 32 33 34 5 52 iunconnlem ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ¬ 𝑃𝑢 )
54 incom ( 𝑣𝑢 ) = ( 𝑢𝑣 )
55 54 34 eqsstrid ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ( 𝑣𝑢 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) )
56 uncom ( 𝑢𝑣 ) = ( 𝑣𝑢 )
57 5 56 sseqtrdi ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑣𝑢 ) )
58 26 27 28 29 32 31 6 55 57 52 iunconnlem ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ¬ 𝑃𝑣 )
59 ioran ( ¬ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) ↔ ( ¬ 𝑃𝑢 ∧ ¬ 𝑃𝑣 ) )
60 53 58 59 sylanbrc ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) → ¬ ( 𝑃𝑢𝑃𝑣 ) )
61 25 60 pm2.65da ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) ∧ ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) )
62 61 ex ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽𝑣𝐽 ) ) → ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
63 62 ralrimivva ( 𝜑 → ∀ 𝑢𝐽𝑣𝐽 ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) )
64 2 ralrimiva ( 𝜑 → ∀ 𝑘𝐴 𝐵𝑋 )
65 iunss ( 𝑘𝐴 𝐵𝑋 ↔ ∀ 𝑘𝐴 𝐵𝑋 )
66 64 65 sylibr ( 𝜑 𝑘𝐴 𝐵𝑋 )
67 connsub ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑘𝐴 𝐵𝑋 ) → ( ( 𝐽t 𝑘𝐴 𝐵 ) ∈ Conn ↔ ∀ 𝑢𝐽𝑣𝐽 ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) )
68 1 66 67 syl2anc ( 𝜑 → ( ( 𝐽t 𝑘𝐴 𝐵 ) ∈ Conn ↔ ∀ 𝑢𝐽𝑣𝐽 ( ( ( 𝑢 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑣 𝑘𝐴 𝐵 ) ≠ ∅ ∧ ( 𝑢𝑣 ) ⊆ ( 𝑋 𝑘𝐴 𝐵 ) ) → ¬ 𝑘𝐴 𝐵 ⊆ ( 𝑢𝑣 ) ) ) )
69 63 68 mpbird ( 𝜑 → ( 𝐽t 𝑘𝐴 𝐵 ) ∈ Conn )