Theorem limsuple 15651

Description: The defining property of the superior limit. (Contributed by Mario Carneiro, 7-Sep-2014.) (Revised by AV, 12-Sep-2020.)

Hypothesis

Ref	Expression
limsupval.1	⊢ 𝐺 = (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))

Assertion

Ref	Expression
limsuple	⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ (lim sup‘𝐹) ↔ ∀𝑗 ∈ ℝ 𝐴 ≤ (𝐺‘𝑗)))

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

Allowed substitution hints:   𝐴(𝑘)   𝐵(𝑘)   𝐺(𝑘)

Proof of Theorem limsuple

Dummy variable 𝑥 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		simp2 1155	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → 𝐹:𝐵⟶ℝ*)
2		reex 11295	. . . . . . 7 ⊢ ℝ ∈ V
3	2	ssex 5281	. . . . . 6 ⊢ (𝐵 ⊆ ℝ → 𝐵 ∈ V)
4	3	3ad2ant1 1151	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → 𝐵 ∈ V)
5		xrex 13119	. . . . . 6 ⊢ ℝ* ∈ V
6	5	a1i 11	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → ℝ* ∈ V)
7		fex2 7949	. . . . 5 ⊢ ((𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐵 ∈ V ∧ ℝ* ∈ V) → 𝐹 ∈ V)
8	1, 4, 6, 7	syl3anc 1398	. . . 4 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → 𝐹 ∈ V)
9		limsupval.1	. . . . 5 ⊢ 𝐺 = (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))
10	9	limsupval 15647	. . . 4 ⊢ (𝐹 ∈ V → (lim sup‘𝐹) = inf(ran 𝐺, ℝ*, < ))
11	8, 10	syl 18	. . 3 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (lim sup‘𝐹) = inf(ran 𝐺, ℝ*, < ))
12	11	breq2d 5114	. 2 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ (lim sup‘𝐹) ↔ 𝐴 ≤ inf(ran 𝐺, ℝ*, < )))
13	9	limsupgf 15648	. . . . 5 ⊢ 𝐺:ℝ⟶ℝ*
14		frn 6718	. . . . 5 ⊢ (𝐺:ℝ⟶ℝ* → ran 𝐺 ⊆ ℝ*)
15	13, 14	ax-mp 5	. . . 4 ⊢ ran 𝐺 ⊆ ℝ*
16		simp3 1156	. . . 4 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → 𝐴 ∈ ℝ*)
17		infxrgelb 13470	. . . 4 ⊢ ((ran 𝐺 ⊆ ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ inf(ran 𝐺, ℝ*, < ) ↔ ∀𝑥 ∈ ran 𝐺 𝐴 ≤ 𝑥))
18	15, 16, 17	sylancr 599	. . 3 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ inf(ran 𝐺, ℝ*, < ) ↔ ∀𝑥 ∈ ran 𝐺 𝐴 ≤ 𝑥))
19		ffn 6710	. . . . 5 ⊢ (𝐺:ℝ⟶ℝ* → 𝐺 Fn ℝ)
20	13, 19	ax-mp 5	. . . 4 ⊢ 𝐺 Fn ℝ
21		breq2 5106	. . . . 5 ⊢ (𝑥 = (𝐺‘𝑗) → (𝐴 ≤ 𝑥 ↔ 𝐴 ≤ (𝐺‘𝑗)))
22	21	ralrn 7089	. . . 4 ⊢ (𝐺 Fn ℝ → (∀𝑥 ∈ ran 𝐺 𝐴 ≤ 𝑥 ↔ ∀𝑗 ∈ ℝ 𝐴 ≤ (𝐺‘𝑗)))
23	20, 22	ax-mp 5	. . 3 ⊢ (∀𝑥 ∈ ran 𝐺 𝐴 ≤ 𝑥 ↔ ∀𝑗 ∈ ℝ 𝐴 ≤ (𝐺‘𝑗))
24	18, 23	bitrdi 290	. 2 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ inf(ran 𝐺, ℝ*, < ) ↔ ∀𝑗 ∈ ℝ 𝐴 ≤ (𝐺‘𝑗)))
25	12, 24	bitrd 282	1 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ (lim sup‘𝐹) ↔ ∀𝑗 ∈ ℝ 𝐴 ≤ (𝐺‘𝑗)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ w3a 1103   = wceq 1569   ∈ wcel 2144  ∀wral 3076  Vcvv 3450   ⊆ wss 3895   ∩ cin 4089   class class class wbr 5102   ↦ cmpt 5185  ran crn 5651   “ cima 5653   Fn wfn 6534  ⟶wf 6535  ‘cfv 6539  (class class class)co 7421  supcsup 9436  infcinf 9437  ℝcr 11203  +∞cpnf 11344  ℝ^*cxr 11346   < clt 11347   ≤ cle 11348  [,)cico 13482  lim supclsp 15643

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 5326  ax-pr 5390  ax-un 7752  ax-cnex 11260  ax-resscn 11261  ax-1cn 11262  ax-icn 11263  ax-addcl 11264  ax-addrcl 11265  ax-mulcl 11266  ax-mulrcl 11267  ax-mulcom 11268  ax-addass 11269  ax-mulass 11270  ax-distr 11271  ax-i2m1 11272  ax-1ne0 11273  ax-1rid 11274  ax-rnegex 11275  ax-rrecex 11276  ax-cnre 11277  ax-pre-lttri 11278  ax-pre-lttrn 11279  ax-pre-ltadd 11280  ax-pre-mulgt0 11281  ax-pre-sup 11282

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 3847  df-ss 3896  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-nul 4279  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 5545  df-po 5558  df-so 5559  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-iota 6494  df-fun 6541  df-fn 6542  df-f 6543  df-f1 6544  df-fo 6545  df-f1o 6546  df-fv 6547  df-riota 7378  df-ov 7424  df-oprab 7425  df-mpo 7426  df-er 8721  df-en 8978  df-dom 8979  df-sdom 8980  df-sup 9438  df-inf 9439  df-pnf 11349  df-mnf 11350  df-xr 11351  df-ltxr 11352  df-le 11353  df-sub 11547  df-neg 11548  df-limsup 15644

This theorem is used by:  limsuplt  15652  limsupbnd1  15655  limsupbnd2  15656  mbflimsup  25993  limsupge  46865