Theorem dftrcl3 38012

Description: Transitive closure of a relation, expressed as indexed union of powers of relations. (Contributed by RP, 5-Jun-2020.)

Assertion

Ref	Expression
dftrcl3	⊢ t+ = (𝑟 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))

Distinct variable group:   𝑛,𝑟

Proof of Theorem dftrcl3

Dummy variables 𝑘 𝑎 𝑡 𝑠 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		df-trcl 13726	. 2 ⊢ t+ = (𝑟 ∈ V ↦ ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)})
2		relexp1g 13766	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 ∈ V → (𝑟↑𝑟1) = 𝑟)
3		nnex 11026	. . . . . . . . 9 ⊢ ℕ ∈ V
4		1nn 11031	. . . . . . . . 9 ⊢ 1 ∈ ℕ
5		oveq1 6657	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑎 = 𝑡 → (𝑎↑𝑟𝑛) = (𝑡↑𝑟𝑛))
6	5	iuneq2d 4547	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑎 = 𝑡 → ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛) = ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑛))
7		oveq2 6658	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 = 𝑘 → (𝑡↑𝑟𝑛) = (𝑡↑𝑟𝑘))
8	7	cbviunv 4559	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑛) = ∪ 𝑘 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑘)
9	6, 8	syl6eq 2672	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑎 = 𝑡 → ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛) = ∪ 𝑘 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑘))
10	9	cbvmptv 4750	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛)) = (𝑡 ∈ V ↦ ∪ 𝑘 ∈ ℕ (𝑡↑𝑟𝑘))
11	10	ov2ssiunov2 37992	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑟 ∈ V ∧ ℕ ∈ V ∧ 1 ∈ ℕ) → (𝑟↑𝑟1) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
12	3, 4, 11	mp3an23 1416	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 ∈ V → (𝑟↑𝑟1) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
13	2, 12	eqsstr3d 3640	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 ∈ V → 𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
14		nnuz 11723	. . . . . . . 8 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
15		1nn0 11308	. . . . . . . 8 ⊢ 1 ∈ ℕ0
16	10	iunrelexpuztr 38011	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑟 ∈ V ∧ ℕ = (ℤ≥‘1) ∧ 1 ∈ ℕ0) → (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
17	14, 15, 16	mp3an23 1416	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 ∈ V → (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
18		fvex 6201	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ V
19		trcleq2lem 13730	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))))
20	19	a1i 11	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑟 ∈ V → (𝑧 = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)))))
21	20	alrimiv 1855	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∀𝑧(𝑧 = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)))))
22		elabgt 3347	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ V ∧ ∀𝑧(𝑧 = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))))) → (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))))
23	18, 21, 22	sylancr 695	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 ∈ V → (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ↔ (𝑟 ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∧ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∘ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟)) ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))))
24	13, 17, 23	mpbir2and 957	. . . . . 6 ⊢ (𝑟 ∈ V → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)})
25		intss1 4492	. . . . . 6 ⊢ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} → ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
26	24, 25	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ⊆ ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
27		vex 3203	. . . . . . . . 9 ⊢ 𝑠 ∈ V
28		trcleq2lem 13730	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = 𝑠 → ((𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧) ↔ (𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠)))
29	27, 28	elab 3350	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑠 ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ↔ (𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠))
30		eqid 2622	. . . . . . . . . 10 ⊢ ℕ = ℕ
31	10	iunrelexpmin1 38000	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑟 ∈ V ∧ ℕ = ℕ) → ∀𝑠((𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠) → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠))
32	30, 31	mpan2 707	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∀𝑠((𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠) → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠))
33	32	19.21bi 2059	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 ∈ V → ((𝑟 ⊆ 𝑠 ∧ (𝑠 ∘ 𝑠) ⊆ 𝑠) → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠))
34	29, 33	syl5bi 232	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 ∈ V → (𝑠 ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠))
35	34	ralrimiv 2965	. . . . . 6 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∀𝑠 ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠)
36		ssint 4493	. . . . . 6 ⊢ (((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ↔ ∀𝑠 ∈ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ 𝑠)
37	35, 36	sylibr 224	. . . . 5 ⊢ (𝑟 ∈ V → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) ⊆ ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)})
38	26, 37	eqssd 3620	. . . 4 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} = ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟))
39		oveq1 6657	. . . . . 6 ⊢ (𝑎 = 𝑟 → (𝑎↑𝑟𝑛) = (𝑟↑𝑟𝑛))
40	39	iuneq2d 4547	. . . . 5 ⊢ (𝑎 = 𝑟 → ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛) = ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))
41		eqid 2622	. . . . 5 ⊢ (𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛)) = (𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))
42		ovex 6678	. . . . . 6 ⊢ (𝑟↑𝑟𝑛) ∈ V
43	3, 42	iunex 7147	. . . . 5 ⊢ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛) ∈ V
44	40, 41, 43	fvmpt 6282	. . . 4 ⊢ (𝑟 ∈ V → ((𝑎 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑎↑𝑟𝑛))‘𝑟) = ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))
45	38, 44	eqtrd 2656	. . 3 ⊢ (𝑟 ∈ V → ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)} = ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))
46	45	mpteq2ia 4740	. 2 ⊢ (𝑟 ∈ V ↦ ∩ {𝑧 ∣ (𝑟 ⊆ 𝑧 ∧ (𝑧 ∘ 𝑧) ⊆ 𝑧)}) = (𝑟 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))
47	1, 46	eqtri 2644	1 ⊢ t+ = (𝑟 ∈ V ↦ ∪ 𝑛 ∈ ℕ (𝑟↑𝑟𝑛))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 196   ∧ wa 384  ∀wal 1481   = wceq 1483   ∈ wcel 1990  {cab 2608  ∀wral 2912  Vcvv 3200   ⊆ wss 3574  ∩ cint 4475  ∪ ciun 4520   ↦ cmpt 4729   ∘ ccom 5118  ‘cfv 5888  (class class class)co 6650  1c1 9937  ℕcn 11020  ℕ₀cn0 11292  ℤ_≥cuz 11687  t+ctcl 13724  ↑_𝑟crelexp 13760

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1722  ax-4 1737  ax-5 1839  ax-6 1888  ax-7 1935  ax-8 1992  ax-9 1999  ax-10 2019  ax-11 2034  ax-12 2047  ax-13 2246  ax-ext 2602  ax-rep 4771  ax-sep 4781  ax-nul 4789  ax-pow 4843  ax-pr 4906  ax-un 6949  ax-cnex 9992  ax-resscn 9993  ax-1cn 9994  ax-icn 9995  ax-addcl 9996  ax-addrcl 9997  ax-mulcl 9998  ax-mulrcl 9999  ax-mulcom 10000  ax-addass 10001  ax-mulass 10002  ax-distr 10003  ax-i2m1 10004  ax-1ne0 10005  ax-1rid 10006  ax-rnegex 10007  ax-rrecex 10008  ax-cnre 10009  ax-pre-lttri 10010  ax-pre-lttrn 10011  ax-pre-ltadd 10012  ax-pre-mulgt0 10013

This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3or 1038  df-3an 1039  df-tru 1486  df-ex 1705  df-nf 1710  df-sb 1881  df-eu 2474  df-mo 2475  df-clab 2609  df-cleq 2615  df-clel 2618  df-nfc 2753  df-ne 2795  df-nel 2898  df-ral 2917  df-rex 2918  df-reu 2919  df-rab 2921  df-v 3202  df-sbc 3436  df-csb 3534  df-dif 3577  df-un 3579  df-in 3581  df-ss 3588  df-pss 3590  df-nul 3916  df-if 4087  df-pw 4160  df-sn 4178  df-pr 4180  df-tp 4182  df-op 4184  df-uni 4437  df-int 4476  df-iun 4522  df-br 4654  df-opab 4713  df-mpt 4730  df-tr 4753  df-id 5024  df-eprel 5029  df-po 5035  df-so 5036  df-fr 5073  df-we 5075  df-xp 5120  df-rel 5121  df-cnv 5122  df-co 5123  df-dm 5124  df-rn 5125  df-res 5126  df-ima 5127  df-pred 5680  df-ord 5726  df-on 5727  df-lim 5728  df-suc 5729  df-iota 5851  df-fun 5890  df-fn 5891  df-f 5892  df-f1 5893  df-fo 5894  df-f1o 5895  df-fv 5896  df-riota 6611  df-ov 6653  df-oprab 6654  df-mpt2 6655  df-om 7066  df-2nd 7169  df-wrecs 7407  df-recs 7468  df-rdg 7506  df-er 7742  df-en 7956  df-dom 7957  df-sdom 7958  df-pnf 10076  df-mnf 10077  df-xr 10078  df-ltxr 10079  df-le 10080  df-sub 10268  df-neg 10269  df-nn 11021  df-2 11079  df-n0 11293  df-z 11378  df-uz 11688  df-seq 12802  df-trcl 13726  df-relexp 13761

This theorem is referenced by:  brfvtrcld  38013  fvtrcllb1d  38014  trclfvcom  38015  cnvtrclfv  38016  cotrcltrcl  38017  trclimalb2  38018  trclfvdecomr  38020  dfrtrcl4  38030  corcltrcl  38031  cotrclrcl  38034