Theorem vdw 15698

Description: Van der Waerden's theorem. For any finite coloring 𝑅 and integer 𝐾, there is an 𝑁 such that every coloring function from 1...𝑁 to 𝑅 contains a monochromatic arithmetic progression (which written out in full means that there is a color 𝑐 and base, increment values 𝑎, 𝑑 such that all the numbers 𝑎, 𝑎 + 𝑑, ..., 𝑎 + (𝑘 − 1)𝑑 lie in the preimage of {𝑐}, i.e. they are all in 1...𝑁 and 𝑓 evaluated at each one yields 𝑐). (Contributed by Mario Carneiro, 13-Sep-2014.)

Assertion

Ref	Expression
vdw	⊢ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → ∃𝑛 ∈ ℕ ∀𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))∃𝑐 ∈ 𝑅 ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝐾 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (◡𝑓 “ {𝑐}))

Distinct variable groups:   𝑎,𝑐,𝑑,𝑓,𝑚,𝑛,𝐾   𝑅,𝑎,𝑐,𝑑,𝑓,𝑛

Allowed substitution hint:   𝑅(𝑚)

Proof of Theorem vdw

Step	Hyp	Ref	Expression
1		simpl 473	. . 3 ⊢ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → 𝑅 ∈ Fin)
2		simpr 477	. . 3 ⊢ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → 𝐾 ∈ ℕ0)
3	1, 2	vdwlem13 15697	. 2 ⊢ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → ∃𝑛 ∈ ℕ ∀𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))𝐾 MonoAP 𝑓)
4		ovex 6678	. . . . 5 ⊢ (1...𝑛) ∈ V
5		simpllr 799	. . . . 5 ⊢ ((((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))) → 𝐾 ∈ ℕ0)
6		simpll 790	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) → 𝑅 ∈ Fin)
7		elmapg 7870	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑅 ∈ Fin ∧ (1...𝑛) ∈ V) → (𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛)) ↔ 𝑓:(1...𝑛)⟶𝑅))
8	6, 4, 7	sylancl 694	. . . . . 6 ⊢ (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) → (𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛)) ↔ 𝑓:(1...𝑛)⟶𝑅))
9	8	biimpa 501	. . . . 5 ⊢ ((((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))) → 𝑓:(1...𝑛)⟶𝑅)
10		simplr 792	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))) → 𝑛 ∈ ℕ)
11		nnuz 11723	. . . . . . 7 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
12	10, 11	syl6eleq 2711	. . . . . 6 ⊢ ((((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))) → 𝑛 ∈ (ℤ≥‘1))
13		eluzfz1 12348	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ (ℤ≥‘1) → 1 ∈ (1...𝑛))
14	12, 13	syl 17	. . . . 5 ⊢ ((((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))) → 1 ∈ (1...𝑛))
15	4, 5, 9, 14	vdwmc2 15683	. . . 4 ⊢ ((((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))) → (𝐾 MonoAP 𝑓 ↔ ∃𝑐 ∈ 𝑅 ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝐾 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (◡𝑓 “ {𝑐})))
16	15	ralbidva 2985	. . 3 ⊢ (((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) ∧ 𝑛 ∈ ℕ) → (∀𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))𝐾 MonoAP 𝑓 ↔ ∀𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))∃𝑐 ∈ 𝑅 ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝐾 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (◡𝑓 “ {𝑐})))
17	16	rexbidva 3049	. 2 ⊢ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → (∃𝑛 ∈ ℕ ∀𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))𝐾 MonoAP 𝑓 ↔ ∃𝑛 ∈ ℕ ∀𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))∃𝑐 ∈ 𝑅 ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝐾 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (◡𝑓 “ {𝑐})))
18	3, 17	mpbid 222	1 ⊢ ((𝑅 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → ∃𝑛 ∈ ℕ ∀𝑓 ∈ (𝑅 ↑𝑚 (1...𝑛))∃𝑐 ∈ 𝑅 ∃𝑎 ∈ ℕ ∃𝑑 ∈ ℕ ∀𝑚 ∈ (0...(𝐾 − 1))(𝑎 + (𝑚 · 𝑑)) ∈ (◡𝑓 “ {𝑐}))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 196   ∧ wa 384   ∈ wcel 1990  ∀wral 2912  ∃wrex 2913  Vcvv 3200  {csn 4177   class class class wbr 4653  ^◡ccnv 5113   “ cima 5117  ⟶wf 5884  ‘cfv 5888  (class class class)co 6650   ↑_𝑚 cmap 7857  Fincfn 7955  0cc0 9936  1c1 9937   + caddc 9939   · cmul 9941   − cmin 10266  ℕcn 11020  ℕ₀cn0 11292  ℤ_≥cuz 11687  ...cfz 12326   MonoAP cvdwm 15670

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-rmo 2920  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-1st 7168  df-2nd 7169  df-wrecs 7407  df-recs 7468  df-rdg 7506  df-1o 7560  df-2o 7561  df-oadd 7564  df-er 7742  df-map 7859  df-pm 7860  df-en 7956  df-dom 7957  df-sdom 7958  df-fin 7959  df-card 8765  df-cda 8990  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-xnn0 11364  df-z 11378  df-uz 11688  df-rp 11833  df-fz 12327  df-hash 13118  df-vdwap 15672  df-vdwmc 15673  df-vdwpc 15674

This theorem is referenced by:  vdwnnlem1  15699