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

Theorem limsupmnf 46455
Description: The superior limit of a function is -∞ if and only if every real number is the upper bound of the restriction of the function to an upper interval of real numbers. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Oct-2021.)
Hypotheses
Ref Expression
limsupmnf.j 𝑗𝐹
limsupmnf.a (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
limsupmnf.f (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
Assertion
Ref Expression
limsupmnf (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) = -∞ ↔ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
Distinct variable groups:   𝐴,𝑗,𝑘,𝑥   𝑘,𝐹,𝑥
Allowed substitution hints:   𝜑(𝑥,𝑗,𝑘)   𝐹(𝑗)

Proof of Theorem limsupmnf
Dummy variables 𝑖 𝑙 𝑦 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 limsupmnf.a . . 3 (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
2 limsupmnf.f . . 3 (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
3 eqid 2763 . . 3 (𝑖 ∈ ℝ ↦ sup((𝐹 “ (𝑖[,)+∞)), ℝ*, < )) = (𝑖 ∈ ℝ ↦ sup((𝐹 “ (𝑖[,)+∞)), ℝ*, < ))
41, 2, 3limsupmnflem 46454 . 2 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) = -∞ ↔ ∀𝑦 ∈ ℝ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑦)))
5 breq2 5113 . . . . . . . 8 (𝑦 = 𝑥 → ((𝐹𝑙) ≤ 𝑦 ↔ (𝐹𝑙) ≤ 𝑥))
65imbi2d 343 . . . . . . 7 (𝑦 = 𝑥 → ((𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑦) ↔ (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥)))
76ralbidv 3188 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑦) ↔ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥)))
87rexbidv 3189 . . . . 5 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑦) ↔ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥)))
9 breq1 5112 . . . . . . . . . 10 (𝑖 = 𝑘 → (𝑖𝑙𝑘𝑙))
109imbi1d 344 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → ((𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥) ↔ (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥)))
1110ralbidv 3188 . . . . . . . 8 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥) ↔ ∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥)))
12 nfv 1944 . . . . . . . . . . 11 𝑗 𝑘𝑙
13 limsupmnf.j . . . . . . . . . . . . 13 𝑗𝐹
14 nfcv 2925 . . . . . . . . . . . . 13 𝑗𝑙
1513, 14nffv 6891 . . . . . . . . . . . 12 𝑗(𝐹𝑙)
16 nfcv 2925 . . . . . . . . . . . 12 𝑗
17 nfcv 2925 . . . . . . . . . . . 12 𝑗𝑥
1815, 16, 17nfbr 5158 . . . . . . . . . . 11 𝑗(𝐹𝑙) ≤ 𝑥
1912, 18nfim 1926 . . . . . . . . . 10 𝑗(𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥)
20 nfv 1944 . . . . . . . . . 10 𝑙(𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)
21 breq2 5113 . . . . . . . . . . 11 (𝑙 = 𝑗 → (𝑘𝑙𝑘𝑗))
22 fveq2 6881 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 → (𝐹𝑙) = (𝐹𝑗))
2322breq1d 5119 . . . . . . . . . . 11 (𝑙 = 𝑗 → ((𝐹𝑙) ≤ 𝑥 ↔ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
2421, 23imbi12d 347 . . . . . . . . . 10 (𝑙 = 𝑗 → ((𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥) ↔ (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
2519, 20, 24cbvralw 3307 . . . . . . . . 9 (∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
2625a1i 11 . . . . . . . 8 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
2711, 26bitrd 282 . . . . . . 7 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
2827cbvrexvw 3244 . . . . . 6 (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
2928a1i 11 . . . . 5 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
308, 29bitrd 282 . . . 4 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑦) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
3130cbvralvw 3243 . . 3 (∀𝑦 ∈ ℝ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑦) ↔ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
3231a1i 11 . 2 (𝜑 → (∀𝑦 ∈ ℝ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) ≤ 𝑦) ↔ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
334, 32bitrd 282 1 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) = -∞ ↔ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 209   = wceq 1570  wnfc 2910  wral 3079  wrex 3089  wss 3905   class class class wbr 5109  cmpt 5192  cima 5664  wf 6532  cfv 6536  (class class class)co 7410  supcsup 9396  cr 11094  +∞cpnf 11235  -∞cmnf 11236  *cxr 11237   < clt 11238  cle 11239  [,)cico 13369  lim supclsp 15517
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-rep 5238  ax-sep 5257  ax-nul 5269  ax-pow 5336  ax-pr 5404  ax-un 7732  ax-cnex 11151  ax-resscn 11152  ax-1cn 11153  ax-icn 11154  ax-addcl 11155  ax-addrcl 11156  ax-mulcl 11157  ax-mulrcl 11158  ax-mulcom 11159  ax-addass 11160  ax-mulass 11161  ax-distr 11162  ax-i2m1 11163  ax-1ne0 11164  ax-1rid 11165  ax-rnegex 11166  ax-rrecex 11167  ax-cnre 11168  ax-pre-lttri 11169  ax-pre-lttrn 11170  ax-pre-ltadd 11171  ax-pre-mulgt0 11172  ax-pre-sup 11173
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 3745  df-csb 3854  df-dif 3908  df-un 3910  df-in 3912  df-ss 3922  df-nul 4287  df-if 4488  df-pw 4564  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4873  df-iun 4958  df-br 5110  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-id 5556  df-po 5569  df-so 5570  df-xp 5667  df-rel 5668  df-cnv 5669  df-co 5670  df-dm 5671  df-rn 5672  df-res 5673  df-ima 5674  df-iota 6492  df-fun 6538  df-fn 6539  df-f 6540  df-f1 6541  df-fo 6542  df-f1o 6543  df-fv 6544  df-riota 7367  df-ov 7413  df-oprab 7414  df-mpo 7415  df-er 8690  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-sup 9398  df-inf 9399  df-pnf 11240  df-mnf 11241  df-xr 11242  df-ltxr 11243  df-le 11244  df-sub 11438  df-neg 11439  df-ico 13373  df-limsup 15518
This theorem is referenced by:  limsupre2lem  46458  limsupmnfuzlem  46460
  Copyright terms: Public domain W3C validator