Theorem limsuple 15531

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 11192	. . . . . . 7 ⊢ ℝ ∈ V
3	2	ssex 5292	. . . . . 6 ⊢ (𝐵 ⊆ ℝ → 𝐵 ∈ V)
4	3	3ad2ant1 1151	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → 𝐵 ∈ V)
5		xrex 13012	. . . . . 6 ⊢ ℝ* ∈ V
6	5	a1i 11	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → ℝ* ∈ V)
7		fex2 7934	. . . . 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 15527	. . . 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 5122	. 2 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ (lim sup‘𝐹) ↔ 𝐴 ≤ inf(ran 𝐺, ℝ*, < )))
13	9	limsupgf 15528	. . . . 5 ⊢ 𝐺:ℝ⟶ℝ*
14		frn 6715	. . . . 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 13363	. . . 4 ⊢ ((ran 𝐺 ⊆ ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ inf(ran 𝐺, ℝ*, < ) ↔ ∀𝑥 ∈ ran 𝐺 𝐴 ≤ 𝑥))
18	15, 16, 17	sylancr 598	. . 3 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ inf(ran 𝐺, ℝ*, < ) ↔ ∀𝑥 ∈ ran 𝐺 𝐴 ≤ 𝑥))
19		ffn 6707	. . . . 5 ⊢ (𝐺:ℝ⟶ℝ* → 𝐺 Fn ℝ)
20	13, 19	ax-mp 5	. . . 4 ⊢ 𝐺 Fn ℝ
21		breq2 5114	. . . . 5 ⊢ (𝑥 = (𝐺‘𝑗) → (𝐴 ≤ 𝑥 ↔ 𝐴 ≤ (𝐺‘𝑗)))
22	21	ralrn 7085	. . . 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)))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ w3a 1103   = wceq 1570   ∈ wcel 2143  ∀wral 3079  Vcvv 3455   ∩ cin 3905   ⊆ wss 3906   class class class wbr 5110   ↦ cmpt 5193  ran crn 5664   “ cima 5666   Fn wfn 6533  ⟶wf 6534  ‘cfv 6538  (class class class)co 7412  supcsup 9401  infcinf 9402  ℝcr 11100  +∞cpnf 11241  ℝ^*cxr 11243   < clt 11244   ≤ cle 11245  [,)cico 13375  lim supclsp 15523

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1825  ax-4 1839  ax-5 1940  ax-6 1997  ax-7 2038  ax-8 2145  ax-9 2153  ax-10 2176  ax-11 2192  ax-12 2213  ax-ext 2735  ax-sep 5258  ax-nul 5270  ax-pow 5338  ax-pr 5406  ax-un 7734  ax-cnex 11157  ax-resscn 11158  ax-1cn 11159  ax-icn 11160  ax-addcl 11161  ax-addrcl 11162  ax-mulcl 11163  ax-mulrcl 11164  ax-mulcom 11165  ax-addass 11166  ax-mulass 11167  ax-distr 11168  ax-i2m1 11169  ax-1ne0 11170  ax-1rid 11171  ax-rnegex 11172  ax-rrecex 11173  ax-cnre 11174  ax-pre-lttri 11175  ax-pre-lttrn 11176  ax-pre-ltadd 11177  ax-pre-mulgt0 11178  ax-pre-sup 11179

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1810  df-nf 1814  df-sb 2097  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2838  df-nfc 2912  df-ne 2959  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3457  df-sbc 3746  df-csb 3855  df-dif 3909  df-un 3911  df-in 3913  df-ss 3923  df-nul 4288  df-if 4489  df-pw 4565  df-sn 4591  df-pr 4593  df-op 4597  df-uni 4874  df-br 5111  df-opab 5175  df-mpt 5194  df-id 5558  df-po 5571  df-so 5572  df-xp 5669  df-rel 5670  df-cnv 5671  df-co 5672  df-dm 5673  df-rn 5674  df-res 5675  df-ima 5676  df-iota 6494  df-fun 6540  df-fn 6541  df-f 6542  df-f1 6543  df-fo 6544  df-f1o 6545  df-fv 6546  df-riota 7369  df-ov 7415  df-oprab 7416  df-mpo 7417  df-er 8695  df-en 8945  df-dom 8946  df-sdom 8947  df-sup 9403  df-inf 9404  df-pnf 11246  df-mnf 11247  df-xr 11248  df-ltxr 11249  df-le 11250  df-sub 11444  df-neg 11445  df-limsup 15524

This theorem is referenced by:  limsuplt  15532  limsupbnd1  15535  limsupbnd2  15536  mbflimsup  25806  limsupge  46455