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

Theorem equivcau 25353
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 484 . . . . . . 7 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → 𝑟 ∈ ℝ+)
2 equivcau.3 . . . . . . . 8 (𝜑𝑅 ∈ ℝ+)
32ad2antrr 725 . . . . . . 7 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → 𝑅 ∈ ℝ+)
41, 3rpdivcld 13116 . . . . . 6 (((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) → (𝑟 / 𝑅) ∈ ℝ+)
5 oveq2 7456 . . . . . . . . 9 (𝑠 = (𝑟 / 𝑅) → ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) = ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))
65feq3d 6734 . . . . . . . 8 (𝑠 = (𝑟 / 𝑅) → ((𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) ↔ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅))))
76rexbidv 3185 . . . . . . 7 (𝑠 = (𝑟 / 𝑅) → (∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠) ↔ ∃𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅))))
87rspcv 3631 . . . . . 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 17 . . . . 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 772 . . . . . . . 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 8904 . . . . . . . . . . . 12 (𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) → (𝑓:dom 𝑓𝑋 ∧ dom 𝑓 ⊆ ℂ))
1211simpld 494 . . . . . . . . . . 11 (𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) → 𝑓:dom 𝑓𝑋)
1312ad3antlr 730 . . . . . . . . . 10 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑓:dom 𝑓𝑋)
14 resss 6031 . . . . . . . . . . . 12 (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) ⊆ 𝑓
15 dmss 5927 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) ⊆ 𝑓 → dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) ⊆ dom 𝑓)
1614, 15ax-mp 5 . . . . . . . . . . 11 dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) ⊆ dom 𝑓
17 uzid 12918 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑘 ∈ ℤ → 𝑘 ∈ (ℤ𝑘))
1817ad2antrl 727 . . . . . . . . . . . 12 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑘 ∈ (ℤ𝑘))
19 fdm 6756 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) → dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) = (ℤ𝑘))
2019ad2antll 728 . . . . . . . . . . . 12 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)) = (ℤ𝑘))
2118, 20eleqtrrd 2847 . . . . . . . . . . 11 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑘 ∈ dom (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)))
2216, 21sselid 4006 . . . . . . . . . 10 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑘 ∈ dom 𝑓)
2313, 22ffvelcdmd 7119 . . . . . . . . 9 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → (𝑓𝑘) ∈ 𝑋)
24 eqid 2740 . . . . . . . . . . . . 13 (MetOpen‘𝐶) = (MetOpen‘𝐶)
25 eqid 2740 . . . . . . . . . . . . 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 24545 . . . . . . . . . . . 12 ((𝜑 ∧ (𝑥𝑋𝑟 ∈ ℝ+)) → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟))
3029expr 456 . . . . . . . . . . 11 ((𝜑𝑥𝑋) → (𝑟 ∈ ℝ+ → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟)))
3130ralrimiva 3152 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ∀𝑥𝑋 (𝑟 ∈ ℝ+ → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟)))
3231ad3antrrr 729 . . . . . . . . 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 768 . . . . . . . . 9 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → 𝑟 ∈ ℝ+)
34 oveq1 7455 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 = (𝑓𝑘) → (𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) = ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))
35 oveq1 7455 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 = (𝑓𝑘) → (𝑥(ball‘𝐶)𝑟) = ((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟))
3634, 35sseq12d 4042 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 = (𝑓𝑘) → ((𝑥(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ (𝑥(ball‘𝐶)𝑟) ↔ ((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) ⊆ ((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)))
3736imbi2d 340 . . . . . . . . . 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 3631 . . . . . . . . 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 66 . . . . . . . 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 6764 . . . . . . 7 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ (𝑘 ∈ ℤ ∧ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)))) → (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟))
4140expr 456 . . . . . 6 ((((𝜑𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ)) ∧ 𝑟 ∈ ℝ+) ∧ 𝑘 ∈ ℤ) → ((𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)(𝑟 / 𝑅)) → (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)))
4241reximdva 3174 . . . . 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 47 . . . 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 3160 . . 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 4099 . 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 24365 . . 3 (𝐷 ∈ (Met‘𝑋) → 𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋))
47 caufval 25328 . . 3 (𝐷 ∈ (∞Met‘𝑋) → (Cau‘𝐷) = {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠)})
4827, 46, 473syl 18 . 2 (𝜑 → (Cau‘𝐷) = {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑠 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐷)𝑠)})
49 metxmet 24365 . . 3 (𝐶 ∈ (Met‘𝑋) → 𝐶 ∈ (∞Met‘𝑋))
50 caufval 25328 . . 3 (𝐶 ∈ (∞Met‘𝑋) → (Cau‘𝐶) = {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑟 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)})
5126, 49, 503syl 18 . 2 (𝜑 → (Cau‘𝐶) = {𝑓 ∈ (𝑋pm ℂ) ∣ ∀𝑟 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ (𝑓 ↾ (ℤ𝑘)):(ℤ𝑘)⟶((𝑓𝑘)(ball‘𝐶)𝑟)})
5245, 48, 513sstr4d 4056 1 (𝜑 → (Cau‘𝐷) ⊆ (Cau‘𝐶))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 395   = wceq 1537  wcel 2108  wral 3067  wrex 3076  {crab 3443  wss 3976   class class class wbr 5166  dom cdm 5700  cres 5702  wf 6569  cfv 6573  (class class class)co 7448  pm cpm 8885  cc 11182   · cmul 11189  cle 11325   / cdiv 11947  cz 12639  cuz 12903  +crp 13057  ∞Metcxmet 21372  Metcmet 21373  ballcbl 21374  MetOpencmopn 21377  Cauccau 25306
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1793  ax-4 1807  ax-5 1909  ax-6 1967  ax-7 2007  ax-8 2110  ax-9 2118  ax-10 2141  ax-11 2158  ax-12 2178  ax-ext 2711  ax-sep 5317  ax-nul 5324  ax-pow 5383  ax-pr 5447  ax-un 7770  ax-cnex 11240  ax-resscn 11241  ax-1cn 11242  ax-icn 11243  ax-addcl 11244  ax-addrcl 11245  ax-mulcl 11246  ax-mulrcl 11247  ax-mulcom 11248  ax-addass 11249  ax-mulass 11250  ax-distr 11251  ax-i2m1 11252  ax-1ne0 11253  ax-1rid 11254  ax-rnegex 11255  ax-rrecex 11256  ax-cnre 11257  ax-pre-lttri 11258  ax-pre-lttrn 11259  ax-pre-ltadd 11260  ax-pre-mulgt0 11261
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 847  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1540  df-fal 1550  df-ex 1778  df-nf 1782  df-sb 2065  df-mo 2543  df-eu 2572  df-clab 2718  df-cleq 2732  df-clel 2819  df-nfc 2895  df-ne 2947  df-nel 3053  df-ral 3068  df-rex 3077  df-rmo 3388  df-reu 3389  df-rab 3444  df-v 3490  df-sbc 3805  df-csb 3922  df-dif 3979  df-un 3981  df-in 3983  df-ss 3993  df-nul 4353  df-if 4549  df-pw 4624  df-sn 4649  df-pr 4651  df-op 4655  df-uni 4932  df-iun 5017  df-br 5167  df-opab 5229  df-mpt 5250  df-id 5593  df-po 5607  df-so 5608  df-xp 5706  df-rel 5707  df-cnv 5708  df-co 5709  df-dm 5710  df-rn 5711  df-res 5712  df-ima 5713  df-iota 6525  df-fun 6575  df-fn 6576  df-f 6577  df-f1 6578  df-fo 6579  df-f1o 6580  df-fv 6581  df-riota 7404  df-ov 7451  df-oprab 7452  df-mpo 7453  df-1st 8030  df-2nd 8031  df-er 8763  df-map 8886  df-pm 8887  df-en 9004  df-dom 9005  df-sdom 9006  df-pnf 11326  df-mnf 11327  df-xr 11328  df-ltxr 11329  df-le 11330  df-sub 11522  df-neg 11523  df-div 11948  df-z 12640  df-uz 12904  df-rp 13058  df-xadd 13176  df-psmet 21379  df-xmet 21380  df-met 21381  df-bl 21382  df-cau 25309
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator