Users' Mathboxes Mathbox for Glauco Siliprandi < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  liminfpnfuz Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem liminfpnfuz 44830
Description: The inferior limit of a function is +∞ if and only if every real number is the lower bound of the restriction of the function to a set of upper integers. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Apr-2023.)
Hypotheses
Ref Expression
liminfpnfuz.1 Ⅎ𝑗𝐹
liminfpnfuz.2 (πœ‘ β†’ 𝑀 ∈ β„€)
liminfpnfuz.3 𝑍 = (β„€β‰₯β€˜π‘€)
liminfpnfuz.4 (πœ‘ β†’ 𝐹:π‘βŸΆβ„*)
Assertion
Ref Expression
liminfpnfuz (πœ‘ β†’ ((lim infβ€˜πΉ) = +∞ ↔ βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)))
Distinct variable groups:   π‘˜,𝐹,π‘₯   𝑗,𝑍,π‘˜,π‘₯
Allowed substitution hints:   πœ‘(π‘₯,𝑗,π‘˜)   𝐹(𝑗)   𝑀(π‘₯,𝑗,π‘˜)

Proof of Theorem liminfpnfuz
Dummy variable 𝑙 is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nfv 1915 . . . . 5 β„²π‘™πœ‘
2 nfcv 2901 . . . . 5 Ⅎ𝑙𝐹
3 liminfpnfuz.2 . . . . 5 (πœ‘ β†’ 𝑀 ∈ β„€)
4 liminfpnfuz.3 . . . . 5 𝑍 = (β„€β‰₯β€˜π‘€)
5 liminfpnfuz.4 . . . . 5 (πœ‘ β†’ 𝐹:π‘βŸΆβ„*)
61, 2, 3, 4, 5liminfvaluz3 44810 . . . 4 (πœ‘ β†’ (lim infβ€˜πΉ) = -𝑒(lim supβ€˜(𝑙 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘™))))
7 liminfpnfuz.1 . . . . . . . . 9 Ⅎ𝑗𝐹
8 nfcv 2901 . . . . . . . . 9 Ⅎ𝑗𝑙
97, 8nffv 6900 . . . . . . . 8 Ⅎ𝑗(πΉβ€˜π‘™)
109nfxneg 44469 . . . . . . 7 Ⅎ𝑗-𝑒(πΉβ€˜π‘™)
11 nfcv 2901 . . . . . . 7 Ⅎ𝑙-𝑒(πΉβ€˜π‘—)
12 fveq2 6890 . . . . . . . 8 (𝑙 = 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘™) = (πΉβ€˜π‘—))
1312xnegeqd 44445 . . . . . . 7 (𝑙 = 𝑗 β†’ -𝑒(πΉβ€˜π‘™) = -𝑒(πΉβ€˜π‘—))
1410, 11, 13cbvmpt 5258 . . . . . 6 (𝑙 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘™)) = (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))
1514fveq2i 6893 . . . . 5 (lim supβ€˜(𝑙 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘™))) = (lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—)))
1615xnegeqi 44448 . . . 4 -𝑒(lim supβ€˜(𝑙 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘™))) = -𝑒(lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—)))
176, 16eqtrdi 2786 . . 3 (πœ‘ β†’ (lim infβ€˜πΉ) = -𝑒(lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))))
1817eqeq1d 2732 . 2 (πœ‘ β†’ ((lim infβ€˜πΉ) = +∞ ↔ -𝑒(lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = +∞))
19 xnegmnf 13193 . . . . . 6 -𝑒-∞ = +∞
2019eqcomi 2739 . . . . 5 +∞ = -𝑒-∞
2120a1i 11 . . . 4 (πœ‘ β†’ +∞ = -𝑒-∞)
2221eqeq2d 2741 . . 3 (πœ‘ β†’ (-𝑒(lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = +∞ ↔ -𝑒(lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = -𝑒-∞))
234fvexi 6904 . . . . . . 7 𝑍 ∈ V
2423mptex 7226 . . . . . 6 (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—)) ∈ V
2524a1i 11 . . . . 5 (πœ‘ β†’ (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—)) ∈ V)
2625limsupcld 44704 . . . 4 (πœ‘ β†’ (lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) ∈ ℝ*)
27 mnfxr 11275 . . . 4 -∞ ∈ ℝ*
28 xneg11 13198 . . . 4 (((lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) ∈ ℝ* ∧ -∞ ∈ ℝ*) β†’ (-𝑒(lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = -𝑒-∞ ↔ (lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = -∞))
2926, 27, 28sylancl 584 . . 3 (πœ‘ β†’ (-𝑒(lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = -𝑒-∞ ↔ (lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = -∞))
3022, 29bitrd 278 . 2 (πœ‘ β†’ (-𝑒(lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = +∞ ↔ (lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = -∞))
314uztrn2 12845 . . . . . . . . 9 ((π‘˜ ∈ 𝑍 ∧ 𝑗 ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)) β†’ 𝑗 ∈ 𝑍)
32 xnegex 13191 . . . . . . . . 9 -𝑒(πΉβ€˜π‘—) ∈ V
33 fvmpt4 44239 . . . . . . . . 9 ((𝑗 ∈ 𝑍 ∧ -𝑒(πΉβ€˜π‘—) ∈ V) β†’ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))β€˜π‘—) = -𝑒(πΉβ€˜π‘—))
3431, 32, 33sylancl 584 . . . . . . . 8 ((π‘˜ ∈ 𝑍 ∧ 𝑗 ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)) β†’ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))β€˜π‘—) = -𝑒(πΉβ€˜π‘—))
3534breq1d 5157 . . . . . . 7 ((π‘˜ ∈ 𝑍 ∧ 𝑗 ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)) β†’ (((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))β€˜π‘—) ≀ π‘₯ ↔ -𝑒(πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))
3635ralbidva 3173 . . . . . 6 (π‘˜ ∈ 𝑍 β†’ (βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))β€˜π‘—) ≀ π‘₯ ↔ βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)-𝑒(πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))
3736rexbiia 3090 . . . . 5 (βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))β€˜π‘—) ≀ π‘₯ ↔ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)-𝑒(πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)
3837ralbii 3091 . . . 4 (βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))β€˜π‘—) ≀ π‘₯ ↔ βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)-𝑒(πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)
3938a1i 11 . . 3 (πœ‘ β†’ (βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))β€˜π‘—) ≀ π‘₯ ↔ βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)-𝑒(πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))
40 nfmpt1 5255 . . . 4 Ⅎ𝑗(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))
415ffvelcdmda 7085 . . . . . 6 ((πœ‘ ∧ 𝑙 ∈ 𝑍) β†’ (πΉβ€˜π‘™) ∈ ℝ*)
4241xnegcld 13283 . . . . 5 ((πœ‘ ∧ 𝑙 ∈ 𝑍) β†’ -𝑒(πΉβ€˜π‘™) ∈ ℝ*)
4314eqcomi 2739 . . . . 5 (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—)) = (𝑙 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘™))
4442, 43fmptd 7114 . . . 4 (πœ‘ β†’ (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—)):π‘βŸΆβ„*)
4540, 3, 4, 44limsupmnfuz 44741 . . 3 (πœ‘ β†’ ((lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = -∞ ↔ βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))β€˜π‘—) ≀ π‘₯))
467, 4, 5xlimpnfxnegmnf 44828 . . 3 (πœ‘ β†’ (βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—) ↔ βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)-𝑒(πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))
4739, 45, 463bitr4d 310 . 2 (πœ‘ β†’ ((lim supβ€˜(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ -𝑒(πΉβ€˜π‘—))) = -∞ ↔ βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)))
4818, 30, 473bitrd 304 1 (πœ‘ β†’ ((lim infβ€˜πΉ) = +∞ ↔ βˆ€π‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ 𝑍 βˆ€π‘— ∈ (β„€β‰₯β€˜π‘˜)π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:   β†’ wi 4   ↔ wb 205   ∧ wa 394   = wceq 1539   ∈ wcel 2104  β„²wnfc 2881  βˆ€wral 3059  βˆƒwrex 3068  Vcvv 3472   class class class wbr 5147   ↦ cmpt 5230  βŸΆwf 6538  β€˜cfv 6542  β„cr 11111  +∞cpnf 11249  -∞cmnf 11250  β„*cxr 11251   ≀ cle 11253  β„€cz 12562  β„€β‰₯cuz 12826  -𝑒cxne 13093  lim supclsp 15418  lim infclsi 44765
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 1911  ax-6 1969  ax-7 2009  ax-8 2106  ax-9 2114  ax-10 2135  ax-11 2152  ax-12 2169  ax-ext 2701  ax-rep 5284  ax-sep 5298  ax-nul 5305  ax-pow 5362  ax-pr 5426  ax-un 7727  ax-cnex 11168  ax-resscn 11169  ax-1cn 11170  ax-icn 11171  ax-addcl 11172  ax-addrcl 11173  ax-mulcl 11174  ax-mulrcl 11175  ax-mulcom 11176  ax-addass 11177  ax-mulass 11178  ax-distr 11179  ax-i2m1 11180  ax-1ne0 11181  ax-1rid 11182  ax-rnegex 11183  ax-rrecex 11184  ax-cnre 11185  ax-pre-lttri 11186  ax-pre-lttrn 11187  ax-pre-ltadd 11188  ax-pre-mulgt0 11189  ax-pre-sup 11190
This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 395  df-or 844  df-3or 1086  df-3an 1087  df-tru 1542  df-fal 1552  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2532  df-eu 2561  df-clab 2708  df-cleq 2722  df-clel 2808  df-nfc 2883  df-ne 2939  df-nel 3045  df-ral 3060  df-rex 3069  df-rmo 3374  df-reu 3375  df-rab 3431  df-v 3474  df-sbc 3777  df-csb 3893  df-dif 3950  df-un 3952  df-in 3954  df-ss 3964  df-pss 3966  df-nul 4322  df-if 4528  df-pw 4603  df-sn 4628  df-pr 4630  df-op 4634  df-uni 4908  df-iun 4998  df-br 5148  df-opab 5210  df-mpt 5231  df-tr 5265  df-id 5573  df-eprel 5579  df-po 5587  df-so 5588  df-fr 5630  df-we 5632  df-xp 5681  df-rel 5682  df-cnv 5683  df-co 5684  df-dm 5685  df-rn 5686  df-res 5687  df-ima 5688  df-pred 6299  df-ord 6366  df-on 6367  df-lim 6368  df-suc 6369  df-iota 6494  df-fun 6544  df-fn 6545  df-f 6546  df-f1 6547  df-fo 6548  df-f1o 6549  df-fv 6550  df-isom 6551  df-riota 7367  df-ov 7414  df-oprab 7415  df-mpo 7416  df-om 7858  df-1st 7977  df-2nd 7978  df-frecs 8268  df-wrecs 8299  df-recs 8373  df-rdg 8412  df-er 8705  df-en 8942  df-dom 8943  df-sdom 8944  df-sup 9439  df-inf 9440  df-pnf 11254  df-mnf 11255  df-xr 11256  df-ltxr 11257  df-le 11258  df-sub 11450  df-neg 11451  df-div 11876  df-nn 12217  df-n0 12477  df-z 12563  df-uz 12827  df-q 12937  df-xneg 13096  df-ico 13334  df-fl 13761  df-ceil 13762  df-limsup 15419  df-liminf 44766
This theorem is referenced by:  xlimpnfliminf  44874  xlimpnfliminf2  44875
  Copyright terms: Public domain W3C validator