Theorem infrenegsup 12166

Description: The infimum of a set of reals 𝐴 is the negative of the supremum of the negatives of its elements. The antecedent ensures that 𝐴 is nonempty and has a lower bound. (Contributed by NM, 14-Jun-2005.) (Revised by AV, 4-Sep-2020.)

Assertion

Ref	Expression
infrenegsup	⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → inf(𝐴, ℝ, < ) = -sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ))

Distinct variable group:   𝑥,𝐴,𝑦,𝑧

Proof of Theorem infrenegsup

Dummy variable 𝑤 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		infrecl 12165	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ)
2	1	recnd 11202	. . 3 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℂ)
3	2	negnegd 11524	. 2 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → --inf(𝐴, ℝ, < ) = inf(𝐴, ℝ, < ))
4		negeq 11413	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑤 = 𝑧 → -𝑤 = -𝑧)
5	4	cbvmptv 5211	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑧 ∈ ℝ ↦ -𝑧)
6	5	mptpreima 6211	. . . . . . 7 ⊢ (◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴) = {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}
7		eqid 2729	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)
8	7	negiso 12163	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom < , ◡ < (ℝ, ℝ) ∧ ◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤))
9	8	simpri 485	. . . . . . . 8 ⊢ ◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)
10	9	imaeq1i 6028	. . . . . . 7 ⊢ (◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴) = ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴)
11	6, 10	eqtr3i 2754	. . . . . 6 ⊢ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴} = ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴)
12	11	supeq1i 9398	. . . . 5 ⊢ sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ) = sup(((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴), ℝ, < )
13	8	simpli 483	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom < , ◡ < (ℝ, ℝ)
14		isocnv 7305	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom < , ◡ < (ℝ, ℝ) → ◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom ◡ < , < (ℝ, ℝ))
15	13, 14	ax-mp 5	. . . . . . . 8 ⊢ ◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom ◡ < , < (ℝ, ℝ)
16		isoeq1 7292	. . . . . . . . 9 ⊢ (◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) → (◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom ◡ < , < (ℝ, ℝ) ↔ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom ◡ < , < (ℝ, ℝ)))
17	9, 16	ax-mp 5	. . . . . . . 8 ⊢ (◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom ◡ < , < (ℝ, ℝ) ↔ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom ◡ < , < (ℝ, ℝ))
18	15, 17	mpbi 230	. . . . . . 7 ⊢ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom ◡ < , < (ℝ, ℝ)
19	18	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom ◡ < , < (ℝ, ℝ))
20		simp1 1136	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → 𝐴 ⊆ ℝ)
21		infm3 12142	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → ∃𝑥 ∈ ℝ (∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑦 < 𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ ℝ (𝑥 < 𝑦 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦)))
22		vex 3451	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 𝑥 ∈ V
23		vex 3451	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 𝑦 ∈ V
24	22, 23	brcnv 5846	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑥◡ < 𝑦 ↔ 𝑦 < 𝑥)
25	24	notbii 320	. . . . . . . . . 10 ⊢ (¬ 𝑥◡ < 𝑦 ↔ ¬ 𝑦 < 𝑥)
26	25	ralbii 3075	. . . . . . . . 9 ⊢ (∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑥◡ < 𝑦 ↔ ∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑦 < 𝑥)
27	23, 22	brcnv 5846	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑦◡ < 𝑥 ↔ 𝑥 < 𝑦)
28		vex 3451	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 𝑧 ∈ V
29	23, 28	brcnv 5846	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑦◡ < 𝑧 ↔ 𝑧 < 𝑦)
30	29	rexbii 3076	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧 ↔ ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦)
31	27, 30	imbi12i 350	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑦◡ < 𝑥 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧) ↔ (𝑥 < 𝑦 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦))
32	31	ralbii 3075	. . . . . . . . 9 ⊢ (∀𝑦 ∈ ℝ (𝑦◡ < 𝑥 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧) ↔ ∀𝑦 ∈ ℝ (𝑥 < 𝑦 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦))
33	26, 32	anbi12i 628	. . . . . . . 8 ⊢ ((∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑥◡ < 𝑦 ∧ ∀𝑦 ∈ ℝ (𝑦◡ < 𝑥 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧)) ↔ (∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑦 < 𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ ℝ (𝑥 < 𝑦 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦)))
34	33	rexbii 3076	. . . . . . 7 ⊢ (∃𝑥 ∈ ℝ (∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑥◡ < 𝑦 ∧ ∀𝑦 ∈ ℝ (𝑦◡ < 𝑥 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧)) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ (∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑦 < 𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ ℝ (𝑥 < 𝑦 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦)))
35	21, 34	sylibr 234	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → ∃𝑥 ∈ ℝ (∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑥◡ < 𝑦 ∧ ∀𝑦 ∈ ℝ (𝑦◡ < 𝑥 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧)))
36		gtso 11255	. . . . . . 7 ⊢ ◡ < Or ℝ
37	36	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → ◡ < Or ℝ)
38	19, 20, 35, 37	supiso 9427	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → sup(((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴), ℝ, < ) = ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘sup(𝐴, ℝ, ◡ < )))
39	12, 38	eqtrid 2776	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ) = ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘sup(𝐴, ℝ, ◡ < )))
40		df-inf 9394	. . . . . . . 8 ⊢ inf(𝐴, ℝ, < ) = sup(𝐴, ℝ, ◡ < )
41	40	eqcomi 2738	. . . . . . 7 ⊢ sup(𝐴, ℝ, ◡ < ) = inf(𝐴, ℝ, < )
42	41	fveq2i 6861	. . . . . 6 ⊢ ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘sup(𝐴, ℝ, ◡ < )) = ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘inf(𝐴, ℝ, < ))
43		negeq 11413	. . . . . . 7 ⊢ (𝑤 = inf(𝐴, ℝ, < ) → -𝑤 = -inf(𝐴, ℝ, < ))
44		negex 11419	. . . . . . 7 ⊢ -inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ V
45	43, 7, 44	fvmpt 6968	. . . . . 6 ⊢ (inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ → ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘inf(𝐴, ℝ, < )) = -inf(𝐴, ℝ, < ))
46	42, 45	eqtrid 2776	. . . . 5 ⊢ (inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ → ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘sup(𝐴, ℝ, ◡ < )) = -inf(𝐴, ℝ, < ))
47	1, 46	syl 17	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘sup(𝐴, ℝ, ◡ < )) = -inf(𝐴, ℝ, < ))
48	39, 47	eqtr2d 2765	. . 3 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → -inf(𝐴, ℝ, < ) = sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ))
49	48	negeqd 11415	. 2 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → --inf(𝐴, ℝ, < ) = -sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ))
50	3, 49	eqtr3d 2766	1 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → inf(𝐴, ℝ, < ) = -sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ↔ wb 206   ∧ wa 395   ∧ w3a 1086   = wceq 1540   ∈ wcel 2109   ≠ wne 2925  ∀wral 3044  ∃wrex 3053  {crab 3405   ⊆ wss 3914  ∅c0 4296   class class class wbr 5107   ↦ cmpt 5188   Or wor 5545  ^◡ccnv 5637   “ cima 5641  ‘cfv 6511   Isom wiso 6512  supcsup 9391  infcinf 9392  ℝcr 11067   < clt 11208   ≤ cle 11209  -cneg 11406

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1910  ax-6 1967  ax-7 2008  ax-8 2111  ax-9 2119  ax-10 2142  ax-11 2158  ax-12 2178  ax-ext 2701  ax-sep 5251  ax-nul 5261  ax-pow 5320  ax-pr 5387  ax-un 7711  ax-resscn 11125  ax-1cn 11126  ax-icn 11127  ax-addcl 11128  ax-addrcl 11129  ax-mulcl 11130  ax-mulrcl 11131  ax-mulcom 11132  ax-addass 11133  ax-mulass 11134  ax-distr 11135  ax-i2m1 11136  ax-1ne0 11137  ax-1rid 11138  ax-rnegex 11139  ax-rrecex 11140  ax-cnre 11141  ax-pre-lttri 11142  ax-pre-lttrn 11143  ax-pre-ltadd 11144  ax-pre-mulgt0 11145  ax-pre-sup 11146

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2533  df-eu 2562  df-clab 2708  df-cleq 2721  df-clel 2803  df-nfc 2878  df-ne 2926  df-nel 3030  df-ral 3045  df-rex 3054  df-rmo 3354  df-reu 3355  df-rab 3406  df-v 3449  df-sbc 3754  df-csb 3863  df-dif 3917  df-un 3919  df-in 3921  df-ss 3931  df-nul 4297  df-if 4489  df-pw 4565  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4872  df-br 5108  df-opab 5170  df-mpt 5189  df-id 5533  df-po 5546  df-so 5547  df-xp 5644  df-rel 5645  df-cnv 5646  df-co 5647  df-dm 5648  df-rn 5649  df-res 5650  df-ima 5651  df-iota 6464  df-fun 6513  df-fn 6514  df-f 6515  df-f1 6516  df-fo 6517  df-f1o 6518  df-fv 6519  df-isom 6520  df-riota 7344  df-ov 7390  df-oprab 7391  df-mpo 7392  df-er 8671  df-en 8919  df-dom 8920  df-sdom 8921  df-sup 9393  df-inf 9394  df-pnf 11210  df-mnf 11211  df-xr 11212  df-ltxr 11213  df-le 11214  df-sub 11407  df-neg 11408

This theorem is referenced by:  supminf  12894  mbfinf  25566  infnsuprnmpt  45244  supminfxr  45460