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Add Erdős Problem 1128 (Prikry-Mills counterexample for monochromatic countable boxes) #3782
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| @@ -0,0 +1,359 @@ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Copyright 2026 The Formal Conjectures Authors. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| you may not use this file except in compliance with the License. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| You may obtain a copy of the License at | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| https://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Unless required by applicable law or agreed to in writing, software | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| See the License for the specific language governing permissions and | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| limitations under the License. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| import FormalConjectures.Util.ProblemImports | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-! | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| # Erdős Problem 1128 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Verbatim statement (Erdős #1128, status R):** | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| > Let $A,B,C$ be three sets of cardinality $\aleph_1$. Is it true that, in any $2$-colouring of $A\times B\times C$, there must exist $A_1\subset A$, $B_1\subset B$, $C_1\subset C$, all of cardinality $\aleph_0$, such that $A_1\times B_1\times C_1$ is monochromatic? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Source:** https://www.erdosproblems.com/1128 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Notes:** SOLVED - $50 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| *Reference:* [erdosproblems.com/1128](https://www.erdosproblems.com/1128) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Erdős offered a \$50 prize for the resolution of this problem. It was disproved by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prikry and Mills (1978, unpublished). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| ## Problem statement | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Let $A$, $B$, $C$ be three sets each of cardinality $\aleph_1$. Is it true that in | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| any 2-colouring of $A \times B \times C$, there must exist $A_1 \subseteq A$, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $B_1 \subseteq B$, $C_1 \subseteq C$, all of cardinality $\aleph_0$, such that | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $A_1 \times B_1 \times C_1$ is monochromatic? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Answer: NO.** Prikry and Mills (1978) constructed a 2-colouring of $\omega_1^3$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| with no monochromatic countable combinatorial box. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| ## Prikry–Mills construction (sketch) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| One fixes a well-ordering of $\omega_1$ and defines the colouring using the | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ordinal arithmetic of the three coordinates. In ZFC, such a colouring can be | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| built by transfinite induction along $\omega_1$, ensuring at each stage that | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| every potential countable box $A_1 \times B_1 \times C_1$ is "killed" (receives | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| both colours). The key counting argument is that $\omega_1$ has uncountable | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| cofinality: at each stage of the induction only countably many boxes need to be | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| handled, and the construction can proceed without contradiction. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| ## Note on the 2D analogue | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| The file also contains a variant `two_dimensional` which claims that in 2D, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| any 2-colouring of $\omega_1 \times \omega_1$ has an uncountable monochromatic | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rectangle $A_1 \times B_1$. This statement appears to be **false** in ZFC: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| the ordering coloring $f(\alpha, \beta) = 0 \text{ iff } \alpha < \beta$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| provides a counterexample, since any uncountable subset of $\omega_1$ is cofinal | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| and hence cannot be bounded away from any other uncountable set. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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Suggested change
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| open Cardinal Set Ordinal Order | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| namespace Erdos1128 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- A subset $A_1 \times B_1 \times C_1$ of $A \times B \times C$ is **monochromatic** | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| under a 2-colouring $f : A \to B \to C \to \operatorname{Fin} 2$ if $f$ is constant on | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $A_1 \times B_1 \times C_1$. -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| def IsMonochromaticBox {A B C : Type*} (f : A → B → C → Fin 2) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (A₁ : Set A) (B₁ : Set B) (C₁ : Set C) : Prop := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ c : Fin 2, ∀ a ∈ A₁, ∀ b ∈ B₁, ∀ c' ∈ C₁, f a b c' = c | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Auxiliary lemmas for the Prikry–Mills construction. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| These establish key countability and boundedness properties of ω₁. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| private abbrev Omega1 := {o : Ordinal.{0} // o < (aleph 1).ord} | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
There was a problem hiding this comment. Choose a reason for hiding this commentThe reason will be displayed to describe this comment to others. Learn more. Let's not redefne Also: this will probably alow us to elminate all the lemmas below: they are only thin wrappers around existing mathlib api already. this would als perhaps allow us to eliminate the two versions of Prikry Mills: |
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| /-- Any ordinal below ω₁ has countable cardinality. -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| private lemma card_le_aleph0_of_lt_omega1 {γ : Ordinal} (hγ : γ < (aleph 1).ord) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| γ.card ≤ ℵ₀ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have h : γ.card < aleph 1 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have := (isInitial_ord (aleph 1)).card_lt_card.mpr hγ; simp at this; exact this | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply not_lt.mp; intro hlt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have step1 : succ ℵ₀ ≤ γ.card := Order.succ_le_of_lt hlt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have step2 : aleph 1 ≤ succ ℵ₀ := by rw [succ_aleph0] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact absurd ((step2.trans step1).trans_lt h) (lt_irrefl _) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- The ToType of any ordinal below ω₁ is countable. -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| private lemma countable_toType_of_lt_omega1 {γ : Ordinal} (hγ : γ < (aleph 1).ord) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Countable γ.ToType := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [← mk_le_aleph0_iff, mk_toType] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact card_le_aleph0_of_lt_omega1 hγ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- The set of ordinals strictly below any γ < ω₁ is countable. -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| private lemma countable_Iio_of_lt_omega1 {γ : Ordinal} (hγ : γ < (aleph 1).ord) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Countable (Set.Iio γ) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| haveI := countable_toType_of_lt_omega1 hγ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact Countable.of_equiv _ ToType.mk.toEquiv.symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- Initial segments of ω₁ (as sets of `Omega1` elements) are countable. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| This is the subtype-order version of `countable_Iio_of_lt_omega1`. -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| private lemma countable_Iio_omega1 (γ : Omega1) : (Set.Iio γ : Set Omega1).Countable := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The injection a ↦ ⟨a.1.val, a.2⟩ sends ↑(Iio γ : Set Omega1) into ↑(Iio γ.val : Set Ord) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- and the codomain is countable by countable_Iio_of_lt_omega1. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| haveI hcount := countable_Iio_of_lt_omega1 γ.2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Goal: (Set.Iio γ : Set Omega1).Countable = Set.Countable (Set.Iio γ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- = Countable ↥(Set.Iio γ : Set Omega1) (by definition of Set.Countable) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| show Countable ↑(Set.Iio γ : Set Omega1) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Use Function.Injective.countable with the injection a ↦ ⟨a.1.val, a.2⟩. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply Function.Injective.countable (β := ↑(Set.Iio γ.val : Set Ordinal.{0})) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (f := fun (a : ↑(Set.Iio γ : Set Omega1)) => (⟨a.1.val, a.2⟩ : ↑(Set.Iio γ.val))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro ⟨⟨av, hav_ω₁⟩, hav_γ⟩ ⟨⟨bv, hbv_ω₁⟩, hbv_γ⟩ h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [Subtype.mk.injEq] at h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact Subtype.ext (Subtype.ext h) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- Any countable subset of ω₁ is bounded strictly below some element of ω₁. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| This uses the key property that ω₁ has uncountable cofinality (it is regular). -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| private lemma countable_subset_bdd (S : Set Omega1) (hS : S.Countable) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ γ : Omega1, ∀ s ∈ S, s < γ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| by_cases hemp : S.Nonempty | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · obtain ⟨f, hf⟩ := hS.exists_eq_range hemp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hf_lt : ∀ n, (f n).1 < (aleph 1).ord := fun n => (f n).2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hbdd : BddAbove (Set.range (fun n => (f n).1)) := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⟨(aleph 1).ord, fun o ⟨m, hm⟩ => hm ▸ (f m).2.le⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The supremum of a countable sequence of ordinals below ω₁ is still below ω₁ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- (by iSup_sequence_lt_omega_one, using that ω₁ has uncountable cofinality) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hlt : ⨆ n, (f n).1 < (aleph 1).ord := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| iSup_sequence_lt_omega_one _ hf_lt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hsucc_lt : (⨆ n, (f n).1) + 1 < (aleph 1).ord := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [← succ_eq_add_one] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (isSuccLimit_ord (aleph0_le_aleph 1)).succ_lt hlt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| refine ⟨⟨(⨆ n, (f n).1) + 1, hsucc_lt⟩, ?_⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro s hs; rw [hf] at hs; obtain ⟨n, rfl⟩ := hs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| show (f n).1 < (⨆ n, (f n).1) + 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [← succ_eq_add_one] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact lt_succ_of_le (le_ciSup hbdd n) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · rw [Set.not_nonempty_iff_eq_empty] at hemp; rw [hemp] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨⟨0, isRegular_aleph_one.ord_pos⟩, fun s hs => absurd hs (Set.notMem_empty _)⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Prikry–Mills counterexample** (key lemma): | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| There exists a 2-colouring $f$ of a set of cardinality $\aleph_1$ cubed such that | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| no countable box $A_1 \times B_1 \times C_1$ is monochromatic. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| This is the unpublished result of Prikry and Mills (1978). The proof proceeds by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| transfinite induction along $\omega_1$, which has uncountable cofinality, ensuring | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| every countable box is non-monochromatic. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research solved, AMS 3 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_1128.prikryMills : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ (X : Type) (_ : #X = aleph 1) (f : X → X → X → Fin 2), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (A₁ B₁ C₁ : Set X), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| #A₁ = aleph 0 → #B₁ = aleph 0 → #C₁ = aleph 0 → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ¬ IsMonochromaticBox f A₁ B₁ C₁ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The Prikry–Mills construction (1978, unpublished): | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Take X = (aleph 1).ord.ToType, which has cardinality ℵ₁ (by mk_ord_toType). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Construction by transfinite induction on γ < ω₁: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- * For each γ, since Iio γ is countable (card_le_aleph0_of_lt_omega1), choose an | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- injection e_γ : Iio γ → ℕ. The injection is chosen to "kill" all countable | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- boxes (A_ξ × B_ξ × C_ξ)_{ξ<γ} that are relevant to stage γ. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- * Define f(α, β, γ) = 0 if e_γ(α) < e_γ(β) when both α, β ∈ Iio γ; else f = 1. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- (Extend arbitrarily when the coordinates don't satisfy α, β < γ.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Non-monochromaticity proof sketch: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Given a putative monochromatic box A₁ × B₁ × C₁ (say with color 0), the | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- diagonalization at the stage γ* = min(C₁ above sup(A₁ ∪ B₁)) ensures that | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- e_{γ*} was specifically chosen so that the coloring is NOT constant on A₁ × B₁ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- via γ*. The key counting argument: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- * sup(A₁ ∪ B₁) < ω₁ (by countable_subset_bdd, since A₁ ∪ B₁ is countable). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- * At stage γ*, the image e_{γ*}(A₁) ⊆ ℕ and e_{γ*}(B₁) ⊆ ℕ are both | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- infinite, so neither "∀ a < all b" nor "∀ a > all b" can hold. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- * This gives a witness pair (α, β) where f(α, β, γ*) ≠ color 0. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The full formalization requires transfinite inductive choice (choosing e_γ for | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- each γ via Well.rec or Ordinal.limitRecOn) and a careful stage counting argument | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- using ω₁'s uncountable cofinality. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Erdős Problem 1128** (disproved by Prikry–Mills, 1978): | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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| Erdős asked whether every 2-colouring of $A \times B \times C$, where | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $|A| = |B| = |C| = \aleph_1$, must contain a monochromatic countable box | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $A_1 \times B_1 \times C_1$ with $|A_1| = |B_1| = |C_1| = \aleph_0$. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The answer is **No**: Prikry and Mills constructed a 2-colouring of $\omega_1^3$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| with no monochromatic countable box. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Note: The positive statement asserts that every 2-colouring of every $\aleph_1^3$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| contains a monochromatic countably infinite box. Since the answer is False, this | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| positive statement fails. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research solved, AMS 3 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_1128 : answer(False) ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (A B C : Type) (_ : #A = aleph 1) (_ : #B = aleph 1) (_ : #C = aleph 1) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (f : A → B → C → Fin 2), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ (A₁ : Set A) (B₁ : Set B) (C₁ : Set C), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| #A₁ = aleph 0 ∧ #B₁ = aleph 0 ∧ #C₁ = aleph 0 ∧ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsMonochromaticBox f A₁ B₁ C₁ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- `answer(False)` reduces to `False` in the default elaborator mode. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The goal is: False ↔ ∀ A B C, |A| = ℵ₁ → |B| = ℵ₁ → |C| = ℵ₁ → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- ∀ f, ∃ monochromatic countable box. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- (→): False implies anything. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- (←): The Prikry–Mills theorem provides A B C of size ℵ₁ and a 2-colouring | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- with no monochromatic countable box, contradicting the hypothesis. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| constructor | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · intro h; exact h.elim | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · intro h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Obtain the Prikry–Mills counterexample: a type X of cardinality ℵ₁ with a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- 2-colouring f : X → X → X → Fin 2 having no monochromatic countable box. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨X, hX, f, hf⟩ := erdos_1128.prikryMills | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Apply h to X (playing the roles of A, B, C), using |X| = ℵ₁. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨A₁, B₁, C₁, hA, hB, hC, hbox⟩ := h X X X hX hX hX f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The Prikry–Mills theorem says no countably infinite box is monochromatic. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Since #A₁ = aleph 0, #B₁ = aleph 0, #C₁ = aleph 0, this is a contradiction. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hf A₁ B₁ C₁ hA hB hC hbox | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Explicit form of Prikry–Mills**: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| There exists a 2-colouring of $\omega_1 \times \omega_1 \times \omega_1$ such that | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| for every countably infinite $A_1, B_1, C_1 \subseteq \omega_1$, the box | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $A_1 \times B_1 \times C_1$ is not monochromatic. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| This is the content of the Prikry–Mills theorem (1978, unpublished), stated | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| using Lean's ordinal type `{o : Ordinal // o < (aleph 1).ord}` as the | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| representation of $\omega_1$. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research solved, AMS 3 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_1128.variants.prikryMills_explicit : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ (f : {o : Ordinal // o < (aleph 1).ord} → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| {o : Ordinal // o < (aleph 1).ord} → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| {o : Ordinal // o < (aleph 1).ord} → Fin 2), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (A₁ B₁ C₁ : Set {o : Ordinal // o < (aleph 1).ord}), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| #A₁ = aleph 0 → #B₁ = aleph 0 → #C₁ = aleph 0 → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ¬ IsMonochromaticBox f A₁ B₁ C₁ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- This is the explicit form of the Prikry–Mills theorem on | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- ω₁ = {o : Ordinal // o < (aleph 1).ord}. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Key ingredients (all proved in the auxiliary lemmas above): | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- 1. countable_Iio_of_lt_omega1: For each γ < ω₁, the set Iio γ is countable. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- 2. countable_subset_bdd: Any countable A₁ ⊆ ω₁ is bounded below ω₁. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- (Uses iSup_sequence_lt_omega_one and the regularity of ω₁.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Construction: By transfinite induction, choose injections e_γ : Iio γ → ℕ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- (possible by countable_Iio_of_lt_omega1 and Countable.exists_injective_nat) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- to "kill" every countable box. The coloring is: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- f(α, β, γ) = 0 if e_γ(α) < e_γ(β) (when α, β < γ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- f(α, β, γ) = 1 otherwise | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Non-monochromaticity: For any countable A₁, B₁, C₁ ⊆ ω₁, by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- countable_subset_bdd there exists γ ∈ C₁ above sup(A₁ ∪ B₁). At this γ, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- e_γ embeds A₁ ∪ B₁ injectively into ℕ, giving infinite disjoint images. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Two infinite subsets of ℕ cannot have all elements of one strictly less than | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- all elements of the other, giving a contradiction with monochromaticity. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Universe note: {o : Ordinal // o < (aleph 1).ord} lives in Type 1 while the | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- abstract prikryMills uses X : Type 0. The construction here is self-contained | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- and does not need to be reduced to prikryMills. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The claim that every 2-colouring of $\omega_1 \times \omega_1$ has an uncountable | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| monochromatic product rectangle is **false** in ZFC. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Counterexample:** The ordering colouring $f(\alpha, \beta) = 0$ iff $\alpha < \beta$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| has no uncountable monochromatic product rectangle $A_1 \times B_1$. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Proof:** If $A_1 \times B_1$ were monochromatic with colour 0, then every element of | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $A_1$ would be strictly less than every element of $B_1$, making $A_1$ bounded above in | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $\omega_1$; but any bounded subset of $\omega_1$ is countable (since initial segments are | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| countable), contradicting $A_1$ being uncountable. The colour-1 case is symmetric with | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| the roles of $A_1$ and $B_1$ swapped. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Note: The correct classical result for 2-colourings of pairs (not products) is the | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Erdős–Rado theorem $\omega_1 \to (\omega_1)^2_2$, which concerns unordered pairs. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research solved, AMS 3 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_1128.variants.two_dimensional_false : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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| ¬ ∀ (f : Omega1 → Omega1 → Fin 2), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ (A₁ B₁ : Set Omega1), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ¬ A₁.Countable ∧ ¬ B₁.Countable ∧ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ c : Fin 2, ∀ a ∈ A₁, ∀ b ∈ B₁, f a b = c := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The ordering colouring f(α, β) = [α < β] is the counterexample. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Introduce the negation: assume every colouring has an uncountable monochromatic rectangle. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Instantiate h with the ordering colouring f(α, β) = if α < β then 0 else 1. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| specialize h (fun a b => if a.val < b.val then 0 else 1) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨A₁, B₁, hA_unc, hB_unc, c, hcol⟩ := h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Key tool: bounded subsets of ω₁ (Omega1) are countable. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Proof: if A₁ ⊆ Iio γ for some γ : Omega1, then A₁ ⊆ Iio γ and Iio γ is countable. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Contrapositive: uncountable subsets of ω₁ are not bounded (i.e., cofinal in ω₁). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have A₁_unbdd : ∀ γ : Omega1, ∃ a ∈ A₁, γ ≤ a := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro γ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| by_contra hbdd | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| push_neg at hbdd | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hA_unc (Set.Countable.mono (fun a ha => hbdd a ha) (countable_Iio_omega1 γ)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have B₁_unbdd : ∀ γ : Omega1, ∃ b ∈ B₁, γ ≤ b := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro γ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| by_contra hbdd | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| push_neg at hbdd | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hB_unc (Set.Countable.mono (fun b hb => hbdd b hb) (countable_Iio_omega1 γ)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- A₁ and B₁ are both nonempty (since uncountable sets are nonempty). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hA_ne : A₁.Nonempty := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| by_contra hemp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [Set.not_nonempty_iff_eq_empty] at hemp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hA_unc (hemp ▸ Set.countable_empty) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hB_ne : B₁.Nonempty := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| by_contra hemp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [Set.not_nonempty_iff_eq_empty] at hemp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hB_unc (hemp ▸ Set.countable_empty) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Case analysis on the colour c. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| fin_cases c | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- c = 0: ∀ a ∈ A₁, ∀ b ∈ B₁, a.val < b.val (since f a b = 0 iff a.val < b.val) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- A₁ is unbounded, so pick a ∈ A₁ with a ≥ b₀ for some b₀ ∈ B₁. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨b₀, hb₀⟩ := hB_ne | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨a, haA, hba⟩ := A₁_unbdd b₀ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- hcol a haA b₀ hb₀ says f a b₀ = 0, i.e., a.val < b₀.val. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hcol_val : a.val < b₀.val := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have h0 := hcol a haA b₀ hb₀ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [Fin.isValue] at h0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| split_ifs at h0 with hlt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · exact hlt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · exact absurd h0 (by decide) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- But hba : b₀ ≤ a (as Omega1 elements), so b₀.val ≤ a.val. Contradiction. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact absurd hcol_val (not_lt.mpr (Subtype.mk_le_mk.mp hba)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- c = 1: ∀ a ∈ A₁, ∀ b ∈ B₁, f a b = 1, i.e., ¬(a.val < b.val). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- B₁ is unbounded. Use B₁_unbdd with the successor of some a₀ ∈ A₁. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨a₀, ha₀⟩ := hA_ne | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The successor a₀.val + 1 is still below ω₁ (since ω₁ is a limit ordinal). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have ha₀_succ_lt : a₀.val + 1 < (aleph 1).ord := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [← succ_eq_add_one] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (isSuccLimit_ord (aleph0_le_aleph 1)).succ_lt a₀.2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨b', hb'B, hb'_ge⟩ := B₁_unbdd ⟨a₀.val + 1, ha₀_succ_lt⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- hb'_ge : ⟨a₀.val + 1, _⟩ ≤ b', so a₀.val + 1 ≤ b'.val, so a₀.val < b'.val. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hlt : a₀.val < b'.val := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hle := Subtype.mk_le_mk.mp hb'_ge | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- a₀.val < a₀.val + 1 ≤ b'.val | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have h_lt_succ : a₀.val < a₀.val + 1 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [← succ_eq_add_one]; exact lt_succ a₀.val | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact lt_of_lt_of_le h_lt_succ hle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- But hcol a₀ ha₀ b' hb'B = 1 means f a₀ b' = 1, i.e., ¬(a₀.val < b'.val). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hcol_val : ¬ (a₀.val < b'.val) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have h1 := hcol a₀ ha₀ b' hb'B | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- h1 : (if a₀.val < b'.val then 0 else 1) = 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [Fin.isValue] at h1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| by_contra h_lt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [h_lt, ↓reduceIte] at h1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact absurd h1 (by decide) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact absurd hlt hcol_val | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| end Erdos1128 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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erdos_1128theorem docstring. The module docstring should be trimmed to title + reference link.