Theorem infrenegsup 12307

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 12306	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ)
2	1	recnd 11344	. . 3 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℂ)
3	2	negnegd 11667	. 2 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → - -inf(𝐴, ℝ, < ) = inf(𝐴, ℝ, < ))
4		negeq 11556	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑤 = 𝑧 → -𝑤 = -𝑧)
5	4	cbvmptv 5208	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑧 ∈ ℝ ↦ -𝑧)
6	5	mptpreima 6242	. . . . . . 7 ⊢ (◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴) = {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}
7		eqid 2760	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)
8	7	negiso 12304	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom < , ◡ < (ℝ, ℝ) ∧ ◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤))
9	8	simpri 491	. . . . . . . 8 ⊢ ◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) = (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)
10	9	imaeq1i 6051	. . . . . . 7 ⊢ (◡(𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴) = ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴)
11	6, 10	eqtr3i 2785	. . . . . 6 ⊢ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴} = ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴)
12	11	supeq1i 9446	. . . . 5 ⊢ sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ) = sup(((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) “ 𝐴), ℝ, < )
13	8	simpli 489	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤) Isom < , ◡ < (ℝ, ℝ)
14		isocnv 7342	. . . . . . . . 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 7329	. . . . . . . . 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 233	. . . . . . 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 1154	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → 𝐴 ⊆ ℝ)
21		infm3 12283	. . . . . . 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 3454	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 𝑥 ∈ V
23		vex 3454	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 𝑦 ∈ V
24	22, 23	brcnv 5861	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑥◡ < 𝑦 ↔ 𝑦 < 𝑥)
25	24	notbii 323	. . . . . . . . . 10 ⊢ (¬ 𝑥◡ < 𝑦 ↔ ¬ 𝑦 < 𝑥)
26	25	ralbii 3108	. . . . . . . . 9 ⊢ (∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑥◡ < 𝑦 ↔ ∀𝑦 ∈ 𝐴 ¬ 𝑦 < 𝑥)
27	23, 22	brcnv 5861	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑦◡ < 𝑥 ↔ 𝑥 < 𝑦)
28		vex 3454	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 𝑧 ∈ V
29	23, 28	brcnv 5861	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑦◡ < 𝑧 ↔ 𝑧 < 𝑦)
30	29	rexbii 3109	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧 ↔ ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦)
31	27, 30	imbi12i 353	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑦◡ < 𝑥 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧) ↔ (𝑥 < 𝑦 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦))
32	31	ralbii 3108	. . . . . . . . 9 ⊢ (∀𝑦 ∈ ℝ (𝑦◡ < 𝑥 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑦◡ < 𝑧) ↔ ∀𝑦 ∈ ℝ (𝑥 < 𝑦 → ∃𝑧 ∈ 𝐴 𝑧 < 𝑦))
33	26, 32	anbi12i 640	. . . . . . . 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 3109	. . . . . . 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 237	. . . . . 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 11398	. . . . . . 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 9475	. . . . 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 2807	. . . 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 9442	. . . . . . . 8 ⊢ inf(𝐴, ℝ, < ) = sup(𝐴, ℝ, ◡ < )
41	40	eqcomi 2769	. . . . . . 7 ⊢ sup(𝐴, ℝ, ◡ < ) = inf(𝐴, ℝ, < )
42	41	fveq2i 6893	. . . . . 6 ⊢ ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘sup(𝐴, ℝ, ◡ < )) = ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘inf(𝐴, ℝ, < ))
43		negeq 11556	. . . . . . 7 ⊢ (𝑤 = inf(𝐴, ℝ, < ) → -𝑤 = -inf(𝐴, ℝ, < ))
44		negex 11562	. . . . . . 7 ⊢ -inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ V
45	43, 7, 44	fvmpt 6998	. . . . . 6 ⊢ (inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ → ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘inf(𝐴, ℝ, < )) = -inf(𝐴, ℝ, < ))
46	42, 45	eqtrid 2807	. . . . 5 ⊢ (inf(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ → ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘sup(𝐴, ℝ, ◡ < )) = -inf(𝐴, ℝ, < ))
47	1, 46	syl 18	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → ((𝑤 ∈ ℝ ↦ -𝑤)‘sup(𝐴, ℝ, ◡ < )) = -inf(𝐴, ℝ, < ))
48	39, 47	eqtr2d 2796	. . 3 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → -inf(𝐴, ℝ, < ) = sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ))
49	48	negeqd 11558	. 2 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → - -inf(𝐴, ℝ, < ) = -sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ))
50	3, 49	eqtr3d 2797	1 ⊢ ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ 𝐴 𝑥 ≤ 𝑦) → inf(𝐴, ℝ, < ) = -sup({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧 ∈ 𝐴}, ℝ, < ))

This proof depends on syntax axioms:  ¬ wn 3   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   ∧ w3a 1103   = wceq 1569   ∈ wcel 2144   ≠ wne 2955  ∀wral 3076  ∃wrex 3086  {crab 3412   ⊆ wss 3896  ∅c0 4277   class class class wbr 5102   ↦ cmpt 5185   Or wor 5558  ^◡ccnv 5650   “ cima 5654  ‘cfv 6543   Isom wiso 6544  supcsup 9439  infcinf 9440  ℝcr 11206   < clt 11350   ≤ cle 11351   -cneg 11549

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5327  ax-pr 5391  ax-un 7755  ax-resscn 11264  ax-1cn 11265  ax-icn 11266  ax-addcl 11267  ax-addrcl 11268  ax-mulcl 11269  ax-mulrcl 11270  ax-mulcom 11271  ax-addass 11272  ax-mulass 11273  ax-distr 11274  ax-i2m1 11275  ax-1ne0 11276  ax-1rid 11277  ax-rnegex 11278  ax-rrecex 11279  ax-cnre 11280  ax-pre-lttri 11281  ax-pre-lttrn 11282  ax-pre-ltadd 11283  ax-pre-mulgt0 11284  ax-pre-sup 11285

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3848  df-ss 3897  df-dif 4046  df-in 4090  df-un 4150  df-nul 4278  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4585  df-pr 4587  df-op 4835  df-uni 4867  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-id 5546  df-po 5559  df-so 5560  df-xp 5657  df-rel 5658  df-cnv 5659  df-co 5660  df-dm 5661  df-rn 5662  df-res 5663  df-ima 5664  df-iota 6497  df-fun 6545  df-fn 6546  df-f 6547  df-f1 6548  df-fo 6549  df-f1o 6550  df-fv 6551  df-isom 6552  df-riota 7381  df-ov 7427  df-oprab 7428  df-mpo 7429  df-er 8725  df-en 8982  df-dom 8983  df-sdom 8984  df-sup 9441  df-inf 9442  df-pnf 11352  df-mnf 11353  df-xr 11354  df-ltxr 11355  df-le 11356  df-sub 11550  df-neg 11551

This theorem is used by:  supminf  13069  mbfinf  25995  infnsuprnmpt  46398  supminfxr  46610