Theorem climrecvg1n 12033

Description: A Cauchy sequence of real numbers converges, existence version. The rate of convergence is fixed: all terms after the nth term must be within 𝐶 / 𝑛 of the nth term, where 𝐶 is a constant multiplier. (Contributed by Jim Kingdon, 23-Aug-2021.)

Hypotheses

Ref	Expression
climrecvg1n.f	⊢ (𝜑 → 𝐹:ℕ⟶ℝ)
climrecvg1n.c	⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℝ+)
climrecvg1n.cau	⊢ (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑛))) < (𝐶 / 𝑛))

Assertion

Ref	Expression
climrecvg1n	⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ dom ⇝ )

Distinct variable groups:   𝐶,𝑘,𝑛   𝑘,𝐹,𝑛   𝜑,𝑘,𝑛

Proof of Theorem climrecvg1n

Dummy variables 𝑒 𝑖 𝑗 𝑦 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		climrecvg1n.f	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐹:ℕ⟶ℝ)
2		climrecvg1n.c	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℝ+)
3		climrecvg1n.cau	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑛))) < (𝐶 / 𝑛))
4	3	r19.21bi 2630	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) → ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑛))) < (𝐶 / 𝑛))
5	4	r19.21bi 2630	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑛))) < (𝐶 / 𝑛))
6	1	ad2antrr 488	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → 𝐹:ℕ⟶ℝ)
7		eluznn 9932	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑛 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → 𝑘 ∈ ℕ)
8	7	adantll 476	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → 𝑘 ∈ ℕ)
9	6, 8	ffvelcdmd 5813	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → (𝐹‘𝑘) ∈ ℝ)
10		simplr 529	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → 𝑛 ∈ ℕ)
11	6, 10	ffvelcdmd 5813	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → (𝐹‘𝑛) ∈ ℝ)
12	2	ad2antrr 488	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → 𝐶 ∈ ℝ+)
13	10	nnrpd 10027	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → 𝑛 ∈ ℝ+)
14	12, 13	rpdivcld 10047	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → (𝐶 / 𝑛) ∈ ℝ+)
15	14	rpred 10029	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → (𝐶 / 𝑛) ∈ ℝ)
16	9, 11, 15	absdifltd 11863	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → ((abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑛))) < (𝐶 / 𝑛) ↔ (((𝐹‘𝑛) − (𝐶 / 𝑛)) < (𝐹‘𝑘) ∧ (𝐹‘𝑘) < ((𝐹‘𝑛) + (𝐶 / 𝑛)))))
17	5, 16	mpbid 147	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → (((𝐹‘𝑛) − (𝐶 / 𝑛)) < (𝐹‘𝑘) ∧ (𝐹‘𝑘) < ((𝐹‘𝑛) + (𝐶 / 𝑛))))
18	11, 15, 9	ltsubaddd 8815	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → (((𝐹‘𝑛) − (𝐶 / 𝑛)) < (𝐹‘𝑘) ↔ (𝐹‘𝑛) < ((𝐹‘𝑘) + (𝐶 / 𝑛))))
19	18	anbi1d 465	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → ((((𝐹‘𝑛) − (𝐶 / 𝑛)) < (𝐹‘𝑘) ∧ (𝐹‘𝑘) < ((𝐹‘𝑛) + (𝐶 / 𝑛))) ↔ ((𝐹‘𝑛) < ((𝐹‘𝑘) + (𝐶 / 𝑛)) ∧ (𝐹‘𝑘) < ((𝐹‘𝑛) + (𝐶 / 𝑛)))))
20	17, 19	mpbid 147	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → ((𝐹‘𝑛) < ((𝐹‘𝑘) + (𝐶 / 𝑛)) ∧ (𝐹‘𝑘) < ((𝐹‘𝑛) + (𝐶 / 𝑛))))
21	20	ralrimiva 2615	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ ℕ) → ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)((𝐹‘𝑛) < ((𝐹‘𝑘) + (𝐶 / 𝑛)) ∧ (𝐹‘𝑘) < ((𝐹‘𝑛) + (𝐶 / 𝑛))))
22	21	ralrimiva 2615	. . 3 ⊢ (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑛)((𝐹‘𝑛) < ((𝐹‘𝑘) + (𝐶 / 𝑛)) ∧ (𝐹‘𝑘) < ((𝐹‘𝑛) + (𝐶 / 𝑛))))
23	1, 2, 22	cvg1n 11671	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑒 ∈ ℝ+ ∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)((𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒) ∧ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒)))
24	1	adantr 276	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → 𝐹:ℕ⟶ℝ)
25	24	ad3antrrr 492	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝐹:ℕ⟶ℝ)
26		eluznn 9932	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑖 ∈ ℕ ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝑗 ∈ ℕ)
27	26	adantll 476	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝑗 ∈ ℕ)
28	25, 27	ffvelcdmd 5813	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → (𝐹‘𝑗) ∈ ℝ)
29		simpr 110	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → 𝑦 ∈ ℝ)
30	29	ad3antrrr 492	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝑦 ∈ ℝ)
31		simpllr 536	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝑒 ∈ ℝ+)
32	31	rpred 10029	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝑒 ∈ ℝ)
33	28, 30, 32	absdifltd 11863	. . . . . . . . 9 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → ((abs‘((𝐹‘𝑗) − 𝑦)) < 𝑒 ↔ ((𝑦 − 𝑒) < (𝐹‘𝑗) ∧ (𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒))))
34	30, 32, 28	ltsubaddd 8815	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → ((𝑦 − 𝑒) < (𝐹‘𝑗) ↔ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒)))
35	34	anbi1d 465	. . . . . . . . 9 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → (((𝑦 − 𝑒) < (𝐹‘𝑗) ∧ (𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒)) ↔ (𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒) ∧ (𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒))))
36	33, 35	bitrd 188	. . . . . . . 8 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → ((abs‘((𝐹‘𝑗) − 𝑦)) < 𝑒 ↔ (𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒) ∧ (𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒))))
37		ancom 266	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒) ∧ (𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒)) ↔ ((𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒) ∧ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒)))
38	36, 37	bitrdi 196	. . . . . . 7 ⊢ (((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → ((abs‘((𝐹‘𝑗) − 𝑦)) < 𝑒 ↔ ((𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒) ∧ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒))))
39	38	ralbidva 2538	. . . . . 6 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) ∧ 𝑖 ∈ ℕ) → (∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)(abs‘((𝐹‘𝑗) − 𝑦)) < 𝑒 ↔ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)((𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒) ∧ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒))))
40	39	rexbidva 2539	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑒 ∈ ℝ+) → (∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)(abs‘((𝐹‘𝑗) − 𝑦)) < 𝑒 ↔ ∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)((𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒) ∧ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒))))
41	40	ralbidva 2538	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → (∀𝑒 ∈ ℝ+ ∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)(abs‘((𝐹‘𝑗) − 𝑦)) < 𝑒 ↔ ∀𝑒 ∈ ℝ+ ∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)((𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒) ∧ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒))))
42		nnuz 9890	. . . . . 6 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
43		1zzd 9604	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → 1 ∈ ℤ)
44		nnex 9243	. . . . . . . 8 ⊢ ℕ ∈ V
45	44	a1i 9	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → ℕ ∈ V)
46		reex 8261	. . . . . . . 8 ⊢ ℝ ∈ V
47	46	a1i 9	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → ℝ ∈ V)
48		fex2 5531	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐹:ℕ⟶ℝ ∧ ℕ ∈ V ∧ ℝ ∈ V) → 𝐹 ∈ V)
49	24, 45, 47, 48	syl3anc 1274	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → 𝐹 ∈ V)
50		eqidd 2233	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑗) = (𝐹‘𝑗))
51	29	recnd 8302	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → 𝑦 ∈ ℂ)
52	24	ffvelcdmda 5812	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑗) ∈ ℝ)
53	52	recnd 8302	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑗) ∈ ℂ)
54	42, 43, 49, 50, 51, 53	clim2c 11969	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → (𝐹 ⇝ 𝑦 ↔ ∀𝑒 ∈ ℝ+ ∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)(abs‘((𝐹‘𝑗) − 𝑦)) < 𝑒))
55		climrel 11965	. . . . . 6 ⊢ Rel ⇝
56	55	releldmi 4996	. . . . 5 ⊢ (𝐹 ⇝ 𝑦 → 𝐹 ∈ dom ⇝ )
57	54, 56	biimtrrdi 164	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → (∀𝑒 ∈ ℝ+ ∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)(abs‘((𝐹‘𝑗) − 𝑦)) < 𝑒 → 𝐹 ∈ dom ⇝ ))
58	41, 57	sylbird 170	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → (∀𝑒 ∈ ℝ+ ∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)((𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒) ∧ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒)) → 𝐹 ∈ dom ⇝ ))
59	58	impr 379	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ ℝ ∧ ∀𝑒 ∈ ℝ+ ∃𝑖 ∈ ℕ ∀𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)((𝐹‘𝑗) < (𝑦 + 𝑒) ∧ 𝑦 < ((𝐹‘𝑗) + 𝑒)))) → 𝐹 ∈ dom ⇝ )
60	23, 59	rexlimddv 2665	1 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ dom ⇝ )

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 104   ∈ wcel 2203  ∀wral 2520  ∃wrex 2521  Vcvv 2813   class class class wbr 4109  dom cdm 4749  ⟶wf 5348  ‘cfv 5352  (class class class)co 6050  ℝcr 8126  1c1 8128   + caddc 8130   < clt 8308   − cmin 8444   / cdiv 8946  ℕcn 9237  ℤ_≥cuz 9853  ℝ⁺crp 9986  abscabs 11682   ⇝ cli 11963

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 619  ax-in2 620  ax-io 717  ax-5 1496  ax-7 1497  ax-gen 1498  ax-ie1 1542  ax-ie2 1543  ax-8 1553  ax-10 1554  ax-11 1555  ax-i12 1556  ax-bndl 1558  ax-4 1559  ax-17 1575  ax-i9 1579  ax-ial 1583  ax-i5r 1584  ax-13 2205  ax-14 2206  ax-ext 2214  ax-coll 4225  ax-sep 4228  ax-nul 4236  ax-pow 4287  ax-pr 4322  ax-un 4554  ax-setind 4659  ax-iinf 4710  ax-cnex 8218  ax-resscn 8219  ax-1cn 8220  ax-1re 8221  ax-icn 8222  ax-addcl 8223  ax-addrcl 8224  ax-mulcl 8225  ax-mulrcl 8226  ax-addcom 8227  ax-mulcom 8228  ax-addass 8229  ax-mulass 8230  ax-distr 8231  ax-i2m1 8232  ax-0lt1 8233  ax-1rid 8234  ax-0id 8235  ax-rnegex 8236  ax-precex 8237  ax-cnre 8238  ax-pre-ltirr 8239  ax-pre-ltwlin 8240  ax-pre-lttrn 8241  ax-pre-apti 8242  ax-pre-ltadd 8243  ax-pre-mulgt0 8244  ax-pre-mulext 8245  ax-arch 8246  ax-caucvg 8247

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 843  df-3or 1006  df-3an 1007  df-tru 1401  df-fal 1404  df-nf 1510  df-sb 1812  df-eu 2083  df-mo 2084  df-clab 2219  df-cleq 2225  df-clel 2228  df-nfc 2373  df-ne 2413  df-nel 2508  df-ral 2525  df-rex 2526  df-reu 2527  df-rmo 2528  df-rab 2529  df-v 2815  df-sbc 3043  df-csb 3139  df-dif 3213  df-un 3215  df-in 3217  df-ss 3224  df-nul 3509  df-if 3621  df-pw 3671  df-sn 3695  df-pr 3696  df-op 3698  df-uni 3915  df-int 3950  df-iun 3993  df-br 4110  df-opab 4172  df-mpt 4173  df-tr 4209  df-id 4414  df-po 4417  df-iso 4418  df-iord 4487  df-on 4489  df-ilim 4490  df-suc 4492  df-iom 4713  df-xp 4755  df-rel 4756  df-cnv 4757  df-co 4758  df-dm 4759  df-rn 4760  df-res 4761  df-ima 4762  df-iota 5312  df-fun 5354  df-fn 5355  df-f 5356  df-f1 5357  df-fo 5358  df-f1o 5359  df-fv 5360  df-riota 6003  df-ov 6053  df-oprab 6054  df-mpo 6055  df-1st 6334  df-2nd 6335  df-recs 6536  df-frec 6622  df-pnf 8310  df-mnf 8311  df-xr 8312  df-ltxr 8313  df-le 8314  df-sub 8446  df-neg 8447  df-reap 8849  df-ap 8856  df-div 8947  df-inn 9238  df-2 9296  df-3 9297  df-4 9298  df-n0 9497  df-z 9578  df-uz 9854  df-rp 9987  df-seqfrec 10810  df-exp 10901  df-cj 11527  df-re 11528  df-im 11529  df-rsqrt 11683  df-abs 11684  df-clim 11964

This theorem is referenced by:  climcvg1nlem  12034