MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  equivcau Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem equivcau 25420
Description: If the metric 𝐷 is "strongly finer" than 𝐶 (meaning that there is a positive real constant 𝑅 such that 𝐶(𝑥, 𝑦) ≤ 𝑅 · 𝐷(𝑥, 𝑦)), all the 𝐷-Cauchy sequences are also 𝐶-Cauchy. (Using this theorem twice in each direction states that if two metrics are strongly equivalent, then they have the same Cauchy sequences.) (Contributed by Mario Carneiro, 14-Sep-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
equivcau.1 (𝜑𝐶 ∈ (Met‘𝑋))
equivcau.2 (𝜑𝐷 ∈ (Met‘𝑋))
equivcau.3 (𝜑𝑅 ∈ ℝ+)
equivcau.4 ((𝜑 ∧ (𝑥𝑋𝑦𝑋)) → (𝑥𝐶𝑦) ≤ (𝑅 · (𝑥𝐷𝑦)))
Assertion
Ref Expression
equivcau (𝜑 → (Cau‘𝐷) ⊆ (Cau‘𝐶))
Distinct variable groups:   𝑥,𝑦,𝐶   𝑥,𝐷,𝑦   𝜑,𝑥,𝑦   𝑥,𝑅,𝑦   𝑥,𝑋,𝑦

Proof of Theorem equivcau
Dummy variables 𝑓 𝑘 𝑟 𝑠 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 simpr 489 . . . . . . 7 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → 𝑟 ∈ ℝ+)
2 equivcau.3 . . . . . . . 8 (𝜑𝑅 ∈ ℝ+)
32ad2antrr 738 . . . . . . 7 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → 𝑅 ∈ ℝ+)
41, 3rpdivcld 13068 . . . . . 6 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → (𝑟 / 𝑅) ∈ ℝ+)
5 oveq2 7408 . . . . . . . . 9 (𝑠 = (𝑟 / 𝑅) → ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) = ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))
65feq3d 6680 . . . . . . . 8 (𝑠 = (𝑟 / 𝑅) → ((𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) ↔ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅))))
76rexbidv 3189 . . . . . . 7 (𝑠 = (𝑟 / 𝑅) → (∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) ↔ ∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅))))
87rspcv 3580 . . . . . 6 ((𝑟 / 𝑅) ∈ ℝ+ → (∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) → ∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅))))
94, 8syl 18 . . . . 5 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → (∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) → ∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅))))
10 simprr 784 . . . . . . . 8 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))
11 elpmi 8831 . . . . . . . . . . . 12 (𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) → (𝑓:dom 𝑓𝑋 ∧ dom 𝑓 ⊆ ℂ))
1211simpld 499 . . . . . . . . . . 11 (𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) → 𝑓:dom 𝑓𝑋)
1312ad3antlr 743 . . . . . . . . . 10 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑓:dom 𝑓𝑋)
14 resss 5991 . . . . . . . . . . . 12 (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) ⊆ 𝑓
15 dmss 5883 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) ⊆ 𝑓 → dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) ⊆ dom 𝑓)
1614, 15ax-mp 5 . . . . . . . . . . 11 dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) ⊆ dom 𝑓
17 uzid 12868 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑘 ∈ ℤ → 𝑘 ∈ (ℤ𝑘))
1817ad2antrl 740 . . . . . . . . . . . 12 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑘 ∈ (ℤ𝑘))
19 fdm 6705 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) → dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) = (ℤ𝑘))
2019ad2antll 741 . . . . . . . . . . . 12 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) = (ℤ𝑘))
2118, 20eleqtrrd 2868 . . . . . . . . . . 11 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑘 ∈ dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)))
2216, 21sselid 3937 . . . . . . . . . 10 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑘 ∈ dom 𝑓)
2313, 22ffvelcdmd 7070 . . . . . . . . 9 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → (𝑓𝑘) ∈ 𝑋)
24 eqid 2765 . . . . . . . . . . . . 13 (MetOpen‘𝐶) = (MetOpen‘𝐶)
25 eqid 2765 . . . . . . . . . . . . 13 (MetOpen‘𝐷) = (MetOpen‘𝐷)
26 equivcau.1 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑𝐶 ∈ (Met‘𝑋))
27 equivcau.2 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑𝐷 ∈ (Met‘𝑋))
28 equivcau.4 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝜑 ∧ (𝑥𝑋𝑦𝑋)) → (𝑥𝐶𝑦) ≤ (𝑅 · (𝑥𝐷𝑦)))
2924, 25, 26, 27, 2, 28metss2lem 24629 . . . . . . . . . . . 12 ((𝜑 ∧ (𝑥𝑋𝑟 ∈ ℝ+)) → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟))
3029expr 461 . . . . . . . . . . 11 ((𝜑𝑥𝑋) → (𝑟 ∈ ℝ+ → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟)))
3130ralrimiva 3157 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ∀𝑥𝑋 (𝑟 ∈ ℝ+ → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟)))
3231ad3antrrr 742 . . . . . . . . 9 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → ∀𝑥𝑋 (𝑟 ∈ ℝ+ → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟)))
33 simplr 780 . . . . . . . . 9 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑟 ∈ ℝ+)
34 oveq1 7407 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 = (𝑓𝑘) → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) = ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))
35 oveq1 7407 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 = (𝑓𝑘) → (𝑥(ball‘𝐶)𝑟) = ((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟))
3634, 35sseq12d 3972 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 = (𝑓𝑘) → ((𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟) ↔ ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ ((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)))
3736imbi2d 343 . . . . . . . . . 10 (𝑥 = (𝑓𝑘) → ((𝑟 ∈ ℝ+ → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟)) ↔ (𝑟 ∈ ℝ+ → ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ ((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟))))
3837rspcv 3580 . . . . . . . . 9 ((𝑓𝑘) ∈ 𝑋 → (∀𝑥𝑋 (𝑟 ∈ ℝ+ → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟)) → (𝑟 ∈ ℝ+ → ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ ((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟))))
3923, 32, 33, 38syl3c 67 . . . . . . . 8 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ ((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟))
4010, 39fssd 6713 . . . . . . 7 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟))
4140expr 461 . . . . . 6 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ 𝑘 ∈ ℤ) → ((𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) → (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)))
4241reximdva 3178 . . . . 5 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → (∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) → ∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)))
439, 42syld 48 . . . 4 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → (∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) → ∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)))
4443ralrimdva 3165 . . 3 ((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) → (∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) → ∀𝑟 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)))
4544ss2rabdv 4031 . 2 (𝜑 → {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠)} ⊆ {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑟 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)})
46 metxmet 24452 . . 3 (𝐷 ∈ (Met‘𝑋) → 𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋))
47 caufval 25395 . . 3 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → (Cau‘𝐷) = {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠)})
4827, 46, 473syl 19 . 2 (𝜑 → (Cau‘𝐷) = {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠)})
49 metxmet 24452 . . 3 (𝐶 ∈ (Met‘𝑋) → 𝐶 ∈ (∞Met‘𝑋))
50 caufval 25395 . . 3 (𝐶 ∈ (∞Met‘𝑋) → (Cau‘𝐶) = {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑟 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)})
5126, 49, 503syl 19 . 2 (𝜑 → (Cau‘𝐶) = {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑟 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)})
5245, 48, 513sstr4d 3994 1 (𝜑 → (Cau‘𝐷) ⊆ (Cau‘𝐶))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 400   = wceq 1563  wcel 2145  wral 3079  wrex 3089  {crab 3417  wss 3907   class class class wbr 5105  dom cdm 5652  cres 5654  wf 6521  cfv 6525  (class class class)co 7400  pm cpm 8813  cc 11086   · cmul 11093  cle 11232   / cdiv 11859  cz 12582  cuz 12853  +crp 13007  ∞Metcxmet 21467  Metcmet 21468  ballcbl 21469  MetOpencmopn 21472  Cauccau 25373
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1818  ax-4 1832  ax-5 1933  ax-6 1990  ax-7 2031  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2215  ax-ext 2737  ax-sep 5251  ax-nul 5261  ax-pow 5327  ax-pr 5395  ax-un 7722  ax-cnex 11144  ax-resscn 11145  ax-1cn 11146  ax-icn 11147  ax-addcl 11148  ax-addrcl 11149  ax-mulcl 11150  ax-mulrcl 11151  ax-mulcom 11152  ax-addass 11153  ax-mulass 11154  ax-distr 11155  ax-i2m1 11156  ax-1ne0 11157  ax-1rid 11158  ax-rnegex 11159  ax-rrecex 11160  ax-cnre 11161  ax-pre-lttri 11162  ax-pre-lttrn 11163  ax-pre-ltadd 11164  ax-pre-mulgt0 11165
This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1566  df-fal 1576  df-ex 1803  df-nf 1807  df-sb 2094  df-mo 2569  df-eu 2599  df-clab 2744  df-cleq 2757  df-clel 2840  df-nfc 2914  df-ne 2961  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3370  df-reu 3371  df-rab 3418  df-v 3459  df-sbc 3748  df-csb 3856  df-dif 3910  df-un 3912  df-in 3914  df-ss 3924  df-nul 4289  df-if 4484  df-pw 4560  df-sn 4586  df-pr 4588  df-op 4592  df-uni 4869  df-iun 4954  df-br 5106  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-id 5547  df-po 5560  df-so 5561  df-xp 5658  df-rel 5659  df-cnv 5660  df-co 5661  df-dm 5662  df-rn 5663  df-res 5664  df-ima 5665  df-iota 6481  df-fun 6527  df-fn 6528  df-f 6529  df-f1 6530  df-fo 6531  df-f1o 6532  df-fv 6533  df-riota 7357  df-ov 7403  df-oprab 7404  df-mpo 7405  df-1st 7974  df-2nd 7975  df-er 8682  df-map 8814  df-pm 8815  df-en 8932  df-dom 8933  df-sdom 8934  df-pnf 11233  df-mnf 11234  df-xr 11235  df-ltxr 11236  df-le 11237  df-sub 11431  df-neg 11432  df-div 11860  df-z 12583  df-uz 12854  df-rp 13008  df-xadd 13129  df-psmet 21474  df-xmet 21475  df-met 21476  df-bl 21477  df-cau 25376
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator