Users' Mathboxes Mathbox for Glauco Siliprandi < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  limsupre2 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem limsupre2 46180
Description: Given a function on the extended reals, its supremum limit is real if and only if two condition holds: 1. there is a real number that is smaller than the function, at some point, in any upper part of the reals; 2. there is a real number that is eventually larger than the function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Oct-2021.)
Hypotheses
Ref Expression
limsupre2.1 𝑗𝐹
limsupre2.2 (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
limsupre2.3 (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
Assertion
Ref Expression
limsupre2 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ∈ ℝ ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗)) ∧ ∃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 limsupre2
Dummy variables 𝑖 𝑙 𝑦 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nfcv 2903 . . 3 𝑙𝐹
2 limsupre2.2 . . 3 (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
3 limsupre2.3 . . 3 (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
41, 2, 3limsupre2lem 46179 . 2 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ∈ ℝ ↔ (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦))))
5 breq1 5077 . . . . . . . . 9 (𝑦 = 𝑥 → (𝑦 < (𝐹𝑙) ↔ 𝑥 < (𝐹𝑙)))
65anbi2d 637 . . . . . . . 8 (𝑦 = 𝑥 → ((𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
76rexbidv 3165 . . . . . . 7 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
87ralbidv 3164 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ ∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
9 breq1 5077 . . . . . . . . . . 11 (𝑖 = 𝑘 → (𝑖𝑙𝑘𝑙))
109anbi1d 638 . . . . . . . . . 10 (𝑖 = 𝑘 → ((𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ (𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
1110rexbidv 3165 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑙𝐴 (𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
12 nfv 1922 . . . . . . . . . . . 12 𝑗 𝑘𝑙
13 nfcv 2903 . . . . . . . . . . . . 13 𝑗𝑥
14 nfcv 2903 . . . . . . . . . . . . 13 𝑗 <
15 limsupre2.1 . . . . . . . . . . . . . 14 𝑗𝐹
16 nfcv 2903 . . . . . . . . . . . . . 14 𝑗𝑙
1715, 16nffv 6840 . . . . . . . . . . . . 13 𝑗(𝐹𝑙)
1813, 14, 17nfbr 5121 . . . . . . . . . . . 12 𝑗 𝑥 < (𝐹𝑙)
1912, 18nfan 1907 . . . . . . . . . . 11 𝑗(𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))
20 nfv 1922 . . . . . . . . . . 11 𝑙(𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))
21 breq2 5078 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 → (𝑘𝑙𝑘𝑗))
22 fveq2 6830 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑙 = 𝑗 → (𝐹𝑙) = (𝐹𝑗))
2322breq2d 5086 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 → (𝑥 < (𝐹𝑙) ↔ 𝑥 < (𝐹𝑗)))
2421, 23anbi12d 639 . . . . . . . . . . 11 (𝑙 = 𝑗 → ((𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
2519, 20, 24cbvrexw 3284 . . . . . . . . . 10 (∃𝑙𝐴 (𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗)))
2625a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∃𝑙𝐴 (𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
2711, 26bitrd 281 . . . . . . . 8 (𝑖 = 𝑘 → (∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
2827cbvralvw 3219 . . . . . . 7 (∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗)))
2928a1i 11 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
308, 29bitrd 281 . . . . 5 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
3130cbvrexvw 3220 . . . 4 (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗)))
3231a1i 11 . . 3 (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
33 breq2 5078 . . . . . . . . 9 (𝑦 = 𝑥 → ((𝐹𝑙) < 𝑦 ↔ (𝐹𝑙) < 𝑥))
3433imbi2d 342 . . . . . . . 8 (𝑦 = 𝑥 → ((𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
3534ralbidv 3164 . . . . . . 7 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
3635rexbidv 3165 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
379imbi1d 343 . . . . . . . . . 10 (𝑖 = 𝑘 → ((𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
3837ralbidv 3164 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
3917, 14, 13nfbr 5121 . . . . . . . . . . . 12 𝑗(𝐹𝑙) < 𝑥
4012, 39nfim 1904 . . . . . . . . . . 11 𝑗(𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)
41 nfv 1922 . . . . . . . . . . 11 𝑙(𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)
4222breq1d 5084 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 → ((𝐹𝑙) < 𝑥 ↔ (𝐹𝑗) < 𝑥))
4321, 42imbi12d 346 . . . . . . . . . . 11 (𝑙 = 𝑗 → ((𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
4440, 41, 43cbvralw 3283 . . . . . . . . . 10 (∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥))
4544a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
4638, 45bitrd 281 . . . . . . . 8 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
4746cbvrexvw 3220 . . . . . . 7 (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥))
4847a1i 11 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
4936, 48bitrd 281 . . . . 5 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
5049cbvrexvw 3220 . . . 4 (∃𝑦 ∈ ℝ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥))
5150a1i 11 . . 3 (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
5232, 51anbi12d 639 . 2 (𝜑 → ((∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦)) ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥))))
534, 52bitrd 281 1 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ∈ ℝ ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥))))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 208  wa 397   = wceq 1548  wcel 2121  wnfc 2888  wral 3055  wrex 3065  wss 3884   class class class wbr 5074  wf 6484  cfv 6488  cr 11033  *cxr 11174   < clt 11175  cle 11176  lim supclsp 15427
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1803  ax-4 1817  ax-5 1918  ax-6 1975  ax-7 2016  ax-8 2123  ax-9 2131  ax-10 2154  ax-11 2170  ax-12 2191  ax-ext 2713  ax-rep 5201  ax-sep 5220  ax-nul 5230  ax-pow 5296  ax-pr 5364  ax-un 7681  ax-cnex 11090  ax-resscn 11091  ax-1cn 11092  ax-icn 11093  ax-addcl 11094  ax-addrcl 11095  ax-mulcl 11096  ax-mulrcl 11097  ax-mulcom 11098  ax-addass 11099  ax-mulass 11100  ax-distr 11101  ax-i2m1 11102  ax-1ne0 11103  ax-1rid 11104  ax-rnegex 11105  ax-rrecex 11106  ax-cnre 11107  ax-pre-lttri 11108  ax-pre-lttrn 11109  ax-pre-ltadd 11110  ax-pre-mulgt0 11111  ax-pre-sup 11112
This theorem depends on definitions:  df-bi 209  df-an 398  df-or 855  df-3or 1094  df-3an 1095  df-tru 1551  df-fal 1561  df-ex 1788  df-nf 1792  df-sb 2075  df-mo 2545  df-eu 2575  df-clab 2720  df-cleq 2733  df-clel 2816  df-nfc 2890  df-ne 2937  df-nel 3041  df-ral 3056  df-rex 3066  df-rmo 3346  df-reu 3347  df-rab 3394  df-v 3435  df-sbc 3725  df-csb 3833  df-dif 3887  df-un 3889  df-in 3891  df-ss 3901  df-nul 4264  df-if 4457  df-pw 4533  df-sn 4558  df-pr 4560  df-op 4564  df-uni 4841  df-iun 4925  df-br 5075  df-opab 5137  df-mpt 5156  df-id 5515  df-po 5528  df-so 5529  df-xp 5626  df-rel 5627  df-cnv 5628  df-co 5629  df-dm 5630  df-rn 5631  df-res 5632  df-ima 5633  df-iota 6444  df-fun 6490  df-fn 6491  df-f 6492  df-f1 6493  df-fo 6494  df-f1o 6495  df-fv 6496  df-riota 7316  df-ov 7362  df-oprab 7363  df-mpo 7364  df-er 8637  df-en 8888  df-dom 8889  df-sdom 8890  df-sup 9349  df-inf 9350  df-pnf 11177  df-mnf 11178  df-xr 11179  df-ltxr 11180  df-le 11181  df-sub 11375  df-neg 11376  df-ico 13299  df-limsup 15428
This theorem is referenced by:  limsupre2mpt  46185  limsupre3lem  46187
  Copyright terms: Public domain W3C validator