Theorem limsuple 15555

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 11209	. . . . . . 7 ⊢ ℝ ∈ V
3	2	ssex 5296	. . . . . 6 ⊢ (𝐵 ⊆ ℝ → 𝐵 ∈ V)
4	3	3ad2ant1 1151	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → 𝐵 ∈ V)
5		xrex 13029	. . . . . 6 ⊢ ℝ* ∈ V
6	5	a1i 11	. . . . 5 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → ℝ* ∈ V)
7		fex2 7942	. . . . 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 15551	. . . 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 5126	. 2 ⊢ ((𝐵 ⊆ ℝ ∧ 𝐹:𝐵⟶ℝ* ∧ 𝐴 ∈ ℝ*) → (𝐴 ≤ (lim sup‘𝐹) ↔ 𝐴 ≤ inf(ran 𝐺, ℝ*, < )))
13	9	limsupgf 15552	. . . . 5 ⊢ 𝐺:ℝ⟶ℝ*
14		frn 6720	. . . . 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 13380	. . . 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 6712	. . . . 5 ⊢ (𝐺:ℝ⟶ℝ* → 𝐺 Fn ℝ)
20	13, 19	ax-mp 5	. . . 4 ⊢ 𝐺 Fn ℝ
21		breq2 5118	. . . . 5 ⊢ (𝑥 = (𝐺‘𝑗) → (𝐴 ≤ 𝑥 ↔ 𝐴 ≤ (𝐺‘𝑗)))
22	21	ralrn 7090	. . . 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 1570   ∈ wcel 2146  ∀wral 3082  Vcvv 3458   ∩ cin 3907   ⊆ wss 3908   class class class wbr 5114   ↦ cmpt 5197  ran crn 5667   “ cima 5669   Fn wfn 6538  ⟶wf 6539  ‘cfv 6543  (class class class)co 7423  supcsup 9410  infcinf 9411  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-limsup 15548

This theorem is used by:  limsuplt  15556  limsupbnd1  15559  limsupbnd2  15560  mbflimsup  25862  limsupge  46516