最小元の存在
名前はもっといいのがあるかも
$ \forall A\in 2^\N\setminus\{\varnothing\}\exist m\in A\forall n\in A:m\le n
証明
$ \lnot\forall A\in2^\N:(1\in A\land\forall n\in A:\operatorname{succ}(n)\in A\implies A=\N)
$ \iff\exist A\in 2^\N:(1\in A\land\forall n\in A:\operatorname{succ}(n)\in A\land\exist n\in\N:n\notin A)
$ \implies\exist A\in 2^\N\begin{dcases}1\in A\land\forall n\in A:\operatorname{succ}(n)\in A\\\exist m\in\N\setminus A\forall n\in\N\setminus A:m\le n\end{dcases}
否定を仮定したとき、$ A\subsetneq\Nから$ \N\setminus Aが空集合でないことがわかるので、これを最小元の存在に代入して矛盾を見出していく $ \iff\exist A\in 2^\N\begin{dcases}1\in A\land\forall n\in A:\operatorname{succ}(n)\in A\\\exist m\in\N:m\notin A\land\forall n\in\N:(n\notin A\implies m\le n)\end{dcases}
$ \iff\exist A\in 2^\N\begin{dcases}1\in A\land\forall n\in A:\operatorname{succ}(n)\in A\\\exist m\in\N:m\notin A\land\forall n\in\N_{<m}:n\in A\end{dcases}
$ \implies\exist A\in 2^\N\begin{dcases}\forall n\in A:\operatorname{succ}(n)\in A\\\exist m\in\N\setminus\{1\}:m\notin A\land\forall n\in\N_{<m}:n\in A\end{dcases}
$ \implies\exist A\in 2^\N\begin{dcases}\forall n\in A:\operatorname{succ}(n)\in A\\m\notin A\land(m-1)\in A\end{dcases}
$ \implies\exist A\in 2^\N\exist m\in\N\setminus\{1\}\begin{dcases}\operatorname{succ}(m-1)=m\in A\\\exist m\in\N\setminus\{1\}:m\notin A\land(m-1)\in A\end{dcases}
$ \implies\bot
$ \underline{\therefore\forall A\in2^\N:(1\in A\land\forall n\in A:\operatorname{succ}(n)\in A\implies A=\N)\quad}_\blacksquare
$ \lnot\forall A\in 2^\N\setminus\{\varnothing\}\exist m\in A\forall n\in A:m\le n
$ \iff\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\forall m\in A\exist n\in A:m>n
$ \iff\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\begin{dcases}\forall m\in A\exist n\in A:m>n\\1\in \{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\}\land(\forall n\in \{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\}:\operatorname{succ}(n)\in \{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\})\implies \{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\}=\N\end{dcases}
$ \iff\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\begin{dcases}\forall m\in A\exist n\in A:m>n\\\N_{<1}\cap A=\varnothing\land\forall n\in\N:(\N_{<n}\cap A=\varnothing\implies\N_{<\operatorname{succ}(n)}\cap A=\varnothing)\implies \{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\}=\N\end{dcases}
数学的帰納法の原理に$ \{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\}を代入 $ \iff\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\begin{dcases}\forall m\in A\exist n\in A:m>n\\\forall n\in\N:(\N_{<n}\cap A=\varnothing\implies\N_{<\operatorname{succ}(n)}\cap A=\varnothing)\implies \{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\}=\N\end{dcases}
$ \because\N_{<1}=\varnothing
$ \iff\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\begin{dcases}\forall m\in A\exist n\in A:m>n\\\forall n\in\N:(\N_{<n}\cap A=\varnothing\implies\N_{<\operatorname{succ}(n)}\cap A=\varnothing)\implies \{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\}=\N\\\forall n\in\N:\end{dcases}
$ \N_{<n}\cap A=\varnothing
$ \iff\forall a\in A:n\le a
$ \implies\forall a\in A\exist m\in A:n\le a\land m< a
$ \because \forall m\in A\exist n\in A:m>n
$ \implies\forall a\in A\exist m\in A:n\le m< a
$ mを$ aに代入した
$ \iff\forall a\in A\exist m\in A:n+1\le m+1\le a
$ \implies\forall a\in A:n+1
$ \iff\N_{<\operatorname{succ}(n)}\cap A=\varnothing
$ \iff\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\begin{dcases}\forall m\in A\exist n\in A:m>n\\\{n\in\N\mid\N_{<n}\cap A=\varnothing\}=\N\end{dcases}
$ \iff\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\begin{dcases}\forall m\in A\exist n\in A:m>n\\\forall n\in\N:\N_{<n}\cap A=\varnothing\end{dcases}
$ \iff\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\begin{dcases}\forall m\in A\exist n\in A:m>n\\\forall n\in\N\forall a\in A:n\le a\end{dcases}
$ \implies\exist A\in2^N\setminus\{\varnothing\}\forall m\in A\exist n\in A:m>n\land m\le n
$ \iff\bot
$ \underline{\therefore\forall A\in 2^\N\setminus\{\varnothing\}\exist m\in A\forall n\in A:m\le n\quad}_\blacksquare
Reference
これよく読んで証明書いてた覚えある