Theorem caurcvg 15388

Description: A Cauchy sequence of real numbers converges to its limit supremum. The fourth hypothesis specifies that 𝐹 is a Cauchy sequence. (Contributed by NM, 4-Apr-2005.) (Revised by AV, 12-Sep-2020.)

Hypotheses

Ref	Expression
caurcvg.1	⊢ 𝑍 = (ℤ≥‘𝑀)
caurcvg.3	⊢ (𝜑 → 𝐹:𝑍⟶ℝ)
caurcvg.4	⊢ (𝜑 → ∀𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥)

Assertion

Ref	Expression
caurcvg	⊢ (𝜑 → 𝐹 ⇝ (lim sup‘𝐹))

Distinct variable groups:   𝑘,𝑚,𝑥,𝐹   𝑚,𝑀,𝑥   𝜑,𝑘,𝑚,𝑥   𝑘,𝑍,𝑚,𝑥

Allowed substitution hint:   𝑀(𝑘)

Proof of Theorem caurcvg

Step	Hyp	Ref	Expression
1		caurcvg.1	. . . . . 6 ⊢ 𝑍 = (ℤ≥‘𝑀)
2		uzssz 12603	. . . . . 6 ⊢ (ℤ≥‘𝑀) ⊆ ℤ
3	1, 2	eqsstri 3955	. . . . 5 ⊢ 𝑍 ⊆ ℤ
4		zssre 12326	. . . . 5 ⊢ ℤ ⊆ ℝ
5	3, 4	sstri 3930	. . . 4 ⊢ 𝑍 ⊆ ℝ
6	5	a1i 11	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑍 ⊆ ℝ)
7		caurcvg.3	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐹:𝑍⟶ℝ)
8		1rp 12734	. . . . . 6 ⊢ 1 ∈ ℝ+
9	8	ne0ii 4271	. . . . 5 ⊢ ℝ+ ≠ ∅
10		caurcvg.4	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ∀𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥)
11		r19.2z 4425	. . . . 5 ⊢ ((ℝ+ ≠ ∅ ∧ ∀𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥) → ∃𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥)
12	9, 10, 11	sylancr 587	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥)
13		eluzel2 12587	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑚 ∈ (ℤ≥‘𝑀) → 𝑀 ∈ ℤ)
14	13, 1	eleq2s 2857	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → 𝑀 ∈ ℤ)
15	1	uzsup 13583	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑀 ∈ ℤ → sup(𝑍, ℝ*, < ) = +∞)
16	14, 15	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → sup(𝑍, ℝ*, < ) = +∞)
17	16	a1d 25	. . . . . 6 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → (∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → sup(𝑍, ℝ*, < ) = +∞))
18	17	rexlimiv 3209	. . . . 5 ⊢ (∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → sup(𝑍, ℝ*, < ) = +∞)
19	18	rexlimivw 3211	. . . 4 ⊢ (∃𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → sup(𝑍, ℝ*, < ) = +∞)
20	12, 19	syl 17	. . 3 ⊢ (𝜑 → sup(𝑍, ℝ*, < ) = +∞)
21	3	sseli 3917	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → 𝑚 ∈ ℤ)
22	3	sseli 3917	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑘 ∈ 𝑍 → 𝑘 ∈ ℤ)
23		eluz 12596	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑚 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ) → (𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚) ↔ 𝑚 ≤ 𝑘))
24	21, 22, 23	syl2an 596	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑚 ∈ 𝑍 ∧ 𝑘 ∈ 𝑍) → (𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚) ↔ 𝑚 ≤ 𝑘))
25	24	biimprd 247	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑚 ∈ 𝑍 ∧ 𝑘 ∈ 𝑍) → (𝑚 ≤ 𝑘 → 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)))
26	25	expimpd 454	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → ((𝑘 ∈ 𝑍 ∧ 𝑚 ≤ 𝑘) → 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)))
27	26	imim1d 82	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → ((𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚) → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥) → ((𝑘 ∈ 𝑍 ∧ 𝑚 ≤ 𝑘) → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥)))
28	27	exp4a 432	. . . . . . 7 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → ((𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚) → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥) → (𝑘 ∈ 𝑍 → (𝑚 ≤ 𝑘 → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥))))
29	28	ralimdv2 3107	. . . . . 6 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → (∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → ∀𝑘 ∈ 𝑍 (𝑚 ≤ 𝑘 → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥)))
30	29	reximia 3176	. . . . 5 ⊢ (∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ 𝑍 (𝑚 ≤ 𝑘 → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥))
31	30	ralimi 3087	. . . 4 ⊢ (∀𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → ∀𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ 𝑍 (𝑚 ≤ 𝑘 → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥))
32	10, 31	syl 17	. . 3 ⊢ (𝜑 → ∀𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ 𝑍 (𝑚 ≤ 𝑘 → (abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥))
33	6, 7, 20, 32	caurcvgr 15385	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ⇝𝑟 (lim sup‘𝐹))
34	14	a1d 25	. . . . . 6 ⊢ (𝑚 ∈ 𝑍 → (∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → 𝑀 ∈ ℤ))
35	34	rexlimiv 3209	. . . . 5 ⊢ (∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → 𝑀 ∈ ℤ)
36	35	rexlimivw 3211	. . . 4 ⊢ (∃𝑥 ∈ ℝ+ ∃𝑚 ∈ 𝑍 ∀𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((𝐹‘𝑘) − (𝐹‘𝑚))) < 𝑥 → 𝑀 ∈ ℤ)
37	12, 36	syl 17	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℤ)
38		ax-resscn 10928	. . . 4 ⊢ ℝ ⊆ ℂ
39		fss 6617	. . . 4 ⊢ ((𝐹:𝑍⟶ℝ ∧ ℝ ⊆ ℂ) → 𝐹:𝑍⟶ℂ)
40	7, 38, 39	sylancl 586	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐹:𝑍⟶ℂ)
41	1, 37, 40	rlimclim 15255	. 2 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ⇝𝑟 (lim sup‘𝐹) ↔ 𝐹 ⇝ (lim sup‘𝐹)))
42	33, 41	mpbid 231	1 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ⇝ (lim sup‘𝐹))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 205   ∧ wa 396   = wceq 1539   ∈ wcel 2106   ≠ wne 2943  ∀wral 3064  ∃wrex 3065   ⊆ wss 3887  ∅c0 4256   class class class wbr 5074  ⟶wf 6429  ‘cfv 6433  (class class class)co 7275  supcsup 9199  ℂcc 10869  ℝcr 10870  1c1 10872  +∞cpnf 11006  ℝ^*cxr 11008   < clt 11009   ≤ cle 11010   − cmin 11205  ℤcz 12319  ℤ_≥cuz 12582  ℝ⁺crp 12730  abscabs 14945  lim supclsp 15179   ⇝ cli 15193   ⇝_𝑟 crli 15194

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1798  ax-4 1812  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2709  ax-sep 5223  ax-nul 5230  ax-pow 5288  ax-pr 5352  ax-un 7588  ax-cnex 10927  ax-resscn 10928  ax-1cn 10929  ax-icn 10930  ax-addcl 10931  ax-addrcl 10932  ax-mulcl 10933  ax-mulrcl 10934  ax-mulcom 10935  ax-addass 10936  ax-mulass 10937  ax-distr 10938  ax-i2m1 10939  ax-1ne0 10940  ax-1rid 10941  ax-rnegex 10942  ax-rrecex 10943  ax-cnre 10944  ax-pre-lttri 10945  ax-pre-lttrn 10946  ax-pre-ltadd 10947  ax-pre-mulgt0 10948  ax-pre-sup 10949

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 845  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1542  df-fal 1552  df-ex 1783  df-nf 1787  df-sb 2068  df-mo 2540  df-eu 2569  df-clab 2716  df-cleq 2730  df-clel 2816  df-nfc 2889  df-ne 2944  df-nel 3050  df-ral 3069  df-rex 3070  df-rmo 3071  df-reu 3072  df-rab 3073  df-v 3434  df-sbc 3717  df-csb 3833  df-dif 3890  df-un 3892  df-in 3894  df-ss 3904  df-pss 3906  df-nul 4257  df-if 4460  df-pw 4535  df-sn 4562  df-pr 4564  df-op 4568  df-uni 4840  df-iun 4926  df-br 5075  df-opab 5137  df-mpt 5158  df-tr 5192  df-id 5489  df-eprel 5495  df-po 5503  df-so 5504  df-fr 5544  df-we 5546  df-xp 5595  df-rel 5596  df-cnv 5597  df-co 5598  df-dm 5599  df-rn 5600  df-res 5601  df-ima 5602  df-pred 6202  df-ord 6269  df-on 6270  df-lim 6271  df-suc 6272  df-iota 6391  df-fun 6435  df-fn 6436  df-f 6437  df-f1 6438  df-fo 6439  df-f1o 6440  df-fv 6441  df-riota 7232  df-ov 7278  df-oprab 7279  df-mpo 7280  df-om 7713  df-2nd 7832  df-frecs 8097  df-wrecs 8128  df-recs 8202  df-rdg 8241  df-er 8498  df-pm 8618  df-en 8734  df-dom 8735  df-sdom 8736  df-sup 9201  df-inf 9202  df-pnf 11011  df-mnf 11012  df-xr 11013  df-ltxr 11014  df-le 11015  df-sub 11207  df-neg 11208  df-div 11633  df-nn 11974  df-2 12036  df-3 12037  df-n0 12234  df-z 12320  df-uz 12583  df-rp 12731  df-ico 13085  df-fl 13512  df-seq 13722  df-exp 13783  df-cj 14810  df-re 14811  df-im 14812  df-sqrt 14946  df-abs 14947  df-limsup 15180  df-clim 15197  df-rlim 15198

This theorem is referenced by:  caurcvg2  15389  mbflimlem  24831  climlimsup  43301  ioodvbdlimc1lem1  43472