Theorem limsupbnd1 15559

Description: If a sequence is eventually at most 𝐴, then the limsup is also at most 𝐴. (The converse is only true if the less or equal is replaced by strictly less than; consider the sequence 1 / 𝑛 which is never less or equal to zero even though the limsup is.) (Contributed by Mario Carneiro, 7-Sep-2014.) (Revised by AV, 12-Sep-2020.)

Hypotheses

Ref	Expression
limsupbnd.1	⊢ (𝜑 → 𝐵 ⊆ ℝ)
limsupbnd.2	⊢ (𝜑 → 𝐹:𝐵⟶ℝ*)
limsupbnd.3	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℝ*)
limsupbnd1.4	⊢ (𝜑 → ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝐵 (𝑘 ≤ 𝑗 → (𝐹‘𝑗) ≤ 𝐴))

Assertion

Ref	Expression
limsupbnd1	⊢ (𝜑 → (lim sup‘𝐹) ≤ 𝐴)

Distinct variable groups:   𝑗,𝑘,𝐴   𝐵,𝑗,𝑘   𝑗,𝐹,𝑘   𝜑,𝑗,𝑘

Proof of Theorem limsupbnd1

Dummy variable 𝑛 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		limsupbnd1.4	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝐵 (𝑘 ≤ 𝑗 → (𝐹‘𝑗) ≤ 𝐴))
2		limsupbnd.1	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ⊆ ℝ)
3	2	adantr 486	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → 𝐵 ⊆ ℝ)
4		limsupbnd.2	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐹:𝐵⟶ℝ*)
5	4	adantr 486	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → 𝐹:𝐵⟶ℝ*)
6		simpr 490	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → 𝑘 ∈ ℝ)
7		limsupbnd.3	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℝ*)
8	7	adantr 486	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → 𝐴 ∈ ℝ*)
9		eqid 2766	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )) = (𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))
10	9	limsupgle 15554	. . . . 5 ⊢ (((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ*) ∧ 𝑘 ∈ ℝ ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ≤ 𝐴 ↔ ∀𝑗 ∈ 𝐵 (𝑘 ≤ 𝑗 → (𝐹‘𝑗) ≤ 𝐴)))
11	3, 5, 6, 8, 10	syl211anc 1403	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → (((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ≤ 𝐴 ↔ ∀𝑗 ∈ 𝐵 (𝑘 ≤ 𝑗 → (𝐹‘𝑗) ≤ 𝐴)))
12		reex 11209	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ℝ ∈ V
13	12	ssex 5296	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐵 ⊆ ℝ → 𝐵 ∈ V)
14	2, 13	syl 18	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ V)
15		xrex 13029	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ℝ* ∈ V
16	15	a1i 11	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → ℝ* ∈ V)
17		fex2 7942	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐵 ∈ V ∧ ℝ* ∈ V) → 𝐹 ∈ V)
18	4, 14, 16, 17	syl3anc 1398	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ V)
19		limsupcl 15550	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐹 ∈ V → (lim sup‘𝐹) ∈ ℝ*)
20	18, 19	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (lim sup‘𝐹) ∈ ℝ*)
21	20	xrleidd 13195	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (lim sup‘𝐹) ≤ (lim sup‘𝐹))
22	9	limsuple 15555	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ (lim sup‘𝐹) ∈ ℝ*) → ((lim sup‘𝐹) ≤ (lim sup‘𝐹) ↔ ∀𝑘 ∈ ℝ (lim sup‘𝐹) ≤ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘)))
23	2, 4, 20, 22	syl3anc 1398	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ≤ (lim sup‘𝐹) ↔ ∀𝑘 ∈ ℝ (lim sup‘𝐹) ≤ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘)))
24	21, 23	mpbid 235	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ∀𝑘 ∈ ℝ (lim sup‘𝐹) ≤ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘))
25	24	r19.21bi 3260	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → (lim sup‘𝐹) ≤ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘))
26	20	adantr 486	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → (lim sup‘𝐹) ∈ ℝ*)
27	9	limsupgf 15552	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )):ℝ⟶ℝ*
28	27	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )):ℝ⟶ℝ*)
29	28	ffvelcdmda 7086	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ∈ ℝ*)
30		xrletr 13201	. . . . . 6 ⊢ (((lim sup‘𝐹) ∈ ℝ* ∧ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ∈ ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (((lim sup‘𝐹) ≤ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ∧ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ≤ 𝐴) → (lim sup‘𝐹) ≤ 𝐴))
31	26, 29, 8, 30	syl3anc 1398	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → (((lim sup‘𝐹) ≤ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ∧ ((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ≤ 𝐴) → (lim sup‘𝐹) ≤ 𝐴))
32	25, 31	mpand 708	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → (((𝑛 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑛[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))‘𝑘) ≤ 𝐴 → (lim sup‘𝐹) ≤ 𝐴))
33	11, 32	sylbird 263	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℝ) → (∀𝑗 ∈ 𝐵 (𝑘 ≤ 𝑗 → (𝐹‘𝑗) ≤ 𝐴) → (lim sup‘𝐹) ≤ 𝐴))
34	33	rexlimdva 3169	. 2 ⊢ (𝜑 → (∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝐵 (𝑘 ≤ 𝑗 → (𝐹‘𝑗) ≤ 𝐴) → (lim sup‘𝐹) ≤ 𝐴))
35	1, 34	mpd 16	1 ⊢ (𝜑 → (lim sup‘𝐹) ≤ 𝐴)

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   ∈ wcel 2146  ∀wral 3082  ∃wrex 3092  Vcvv 3458   ∩ cin 3907   ⊆ wss 3908   class class class wbr 5114   ↦ cmpt 5197   “ cima 5669  ⟶wf 6539  ‘cfv 6543  (class class class)co 7423  supcsup 9410  ℝcr 11117  +∞cpnf 11258  ℝ^*cxr 11260   < clt 11261   ≤ cle 11262  [,)cico 13392  lim supclsp 15547

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2148  ax-9 2156  ax-10 2179  ax-11 2195  ax-12 2216  ax-ext 2738  ax-sep 5262  ax-nul 5274  ax-pow 5341  ax-pr 5409  ax-un 7745  ax-cnex 11174  ax-resscn 11175  ax-1cn 11176  ax-icn 11177  ax-addcl 11178  ax-addrcl 11179  ax-mulcl 11180  ax-mulrcl 11181  ax-mulcom 11182  ax-addass 11183  ax-mulass 11184  ax-distr 11185  ax-i2m1 11186  ax-1ne0 11187  ax-1rid 11188  ax-rnegex 11189  ax-rrecex 11190  ax-cnre 11191  ax-pre-lttri 11192  ax-pre-lttrn 11193  ax-pre-ltadd 11194  ax-pre-mulgt0 11195  ax-pre-sup 11196

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2100  df-mo 2570  df-eu 2600  df-clab 2745  df-cleq 2758  df-clel 2841  df-nfc 2915  df-ne 2962  df-nel 3068  df-ral 3083  df-rex 3093  df-rmo 3372  df-reu 3373  df-rab 3420  df-v 3460  df-sbc 3748  df-csb 3857  df-dif 3911  df-un 3913  df-in 3915  df-ss 3925  df-nul 4290  df-if 4493  df-pw 4569  df-sn 4595  df-pr 4597  df-op 4601  df-uni 4878  df-br 5115  df-opab 5179  df-mpt 5198  df-id 5561  df-po 5574  df-so 5575  df-xp 5672  df-rel 5673  df-cnv 5674  df-co 5675  df-dm 5676  df-rn 5677  df-res 5678  df-ima 5679  df-iota 6499  df-fun 6545  df-fn 6546  df-f 6547  df-f1 6548  df-fo 6549  df-f1o 6550  df-fv 6551  df-riota 7380  df-ov 7426  df-oprab 7427  df-mpo 7428  df-er 8703  df-en 8953  df-dom 8954  df-sdom 8955  df-sup 9412  df-inf 9413  df-pnf 11263  df-mnf 11264  df-xr 11265  df-ltxr 11266  df-le 11267  df-sub 11461  df-neg 11462  df-ico 13396  df-limsup 15548

This theorem is used by:  caucvgrlem  15750  limsupre  46396  limsupbnd1f  46441