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 45745
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 2904 . . 3 𝑙𝐹
2 limsupre2.2 . . 3 (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
3 limsupre2.3 . . 3 (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
41, 2, 3limsupre2lem 45744 . 2 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ∈ ℝ ↔ (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦))))
5 breq1 5145 . . . . . . . . 9 (𝑦 = 𝑥 → (𝑦 < (𝐹𝑙) ↔ 𝑥 < (𝐹𝑙)))
65anbi2d 630 . . . . . . . 8 (𝑦 = 𝑥 → ((𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
76rexbidv 3178 . . . . . . 7 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
87ralbidv 3177 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ ∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
9 breq1 5145 . . . . . . . . . . 11 (𝑖 = 𝑘 → (𝑖𝑙𝑘𝑙))
109anbi1d 631 . . . . . . . . . 10 (𝑖 = 𝑘 → ((𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ (𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
1110rexbidv 3178 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑙𝐴 (𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))))
12 nfv 1913 . . . . . . . . . . . 12 𝑗 𝑘𝑙
13 nfcv 2904 . . . . . . . . . . . . 13 𝑗𝑥
14 nfcv 2904 . . . . . . . . . . . . 13 𝑗 <
15 limsupre2.1 . . . . . . . . . . . . . 14 𝑗𝐹
16 nfcv 2904 . . . . . . . . . . . . . 14 𝑗𝑙
1715, 16nffv 6915 . . . . . . . . . . . . 13 𝑗(𝐹𝑙)
1813, 14, 17nfbr 5189 . . . . . . . . . . . 12 𝑗 𝑥 < (𝐹𝑙)
1912, 18nfan 1898 . . . . . . . . . . 11 𝑗(𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙))
20 nfv 1913 . . . . . . . . . . 11 𝑙(𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))
21 breq2 5146 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 → (𝑘𝑙𝑘𝑗))
22 fveq2 6905 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑙 = 𝑗 → (𝐹𝑙) = (𝐹𝑗))
2322breq2d 5154 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 → (𝑥 < (𝐹𝑙) ↔ 𝑥 < (𝐹𝑗)))
2421, 23anbi12d 632 . . . . . . . . . . 11 (𝑙 = 𝑗 → ((𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
2519, 20, 24cbvrexw 3306 . . . . . . . . . 10 (∃𝑙𝐴 (𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗)))
2625a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∃𝑙𝐴 (𝑘𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
2711, 26bitrd 279 . . . . . . . 8 (𝑖 = 𝑘 → (∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑥 < (𝐹𝑙)) ↔ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
2827cbvralvw 3236 . . . . . . 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 279 . . . . 5 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖 ∈ ℝ ∃𝑙𝐴 (𝑖𝑙𝑦 < (𝐹𝑙)) ↔ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
3130cbvrexvw 3237 . . . 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 5146 . . . . . . . . 9 (𝑦 = 𝑥 → ((𝐹𝑙) < 𝑦 ↔ (𝐹𝑙) < 𝑥))
3433imbi2d 340 . . . . . . . 8 (𝑦 = 𝑥 → ((𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
3534ralbidv 3177 . . . . . . 7 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
3635rexbidv 3178 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ ∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
379imbi1d 341 . . . . . . . . . 10 (𝑖 = 𝑘 → ((𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
3837ralbidv 3177 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)))
3917, 14, 13nfbr 5189 . . . . . . . . . . . 12 𝑗(𝐹𝑙) < 𝑥
4012, 39nfim 1895 . . . . . . . . . . 11 𝑗(𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥)
41 nfv 1913 . . . . . . . . . . 11 𝑙(𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)
4222breq1d 5152 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 → ((𝐹𝑙) < 𝑥 ↔ (𝐹𝑗) < 𝑥))
4321, 42imbi12d 344 . . . . . . . . . . 11 (𝑙 = 𝑗 → ((𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
4440, 41, 43cbvralw 3305 . . . . . . . . . 10 (∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥))
4544a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑘𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
4638, 45bitrd 279 . . . . . . . 8 (𝑖 = 𝑘 → (∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
4746cbvrexvw 3237 . . . . . . 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 279 . . . . 5 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑖 ∈ ℝ ∀𝑙𝐴 (𝑖𝑙 → (𝐹𝑙) < 𝑦) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
5049cbvrexvw 3237 . . . 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 632 . 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 279 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 206  wa 395   = wceq 1539  wcel 2107  wnfc 2889  wral 3060  wrex 3069  wss 3950   class class class wbr 5142  wf 6556  cfv 6560  cr 11155  *cxr 11295   < clt 11296  cle 11297  lim supclsp 15507
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1794  ax-4 1808  ax-5 1909  ax-6 1966  ax-7 2006  ax-8 2109  ax-9 2117  ax-10 2140  ax-11 2156  ax-12 2176  ax-ext 2707  ax-rep 5278  ax-sep 5295  ax-nul 5305  ax-pow 5364  ax-pr 5431  ax-un 7756  ax-cnex 11212  ax-resscn 11213  ax-1cn 11214  ax-icn 11215  ax-addcl 11216  ax-addrcl 11217  ax-mulcl 11218  ax-mulrcl 11219  ax-mulcom 11220  ax-addass 11221  ax-mulass 11222  ax-distr 11223  ax-i2m1 11224  ax-1ne0 11225  ax-1rid 11226  ax-rnegex 11227  ax-rrecex 11228  ax-cnre 11229  ax-pre-lttri 11230  ax-pre-lttrn 11231  ax-pre-ltadd 11232  ax-pre-mulgt0 11233  ax-pre-sup 11234
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1542  df-fal 1552  df-ex 1779  df-nf 1783  df-sb 2064  df-mo 2539  df-eu 2568  df-clab 2714  df-cleq 2728  df-clel 2815  df-nfc 2891  df-ne 2940  df-nel 3046  df-ral 3061  df-rex 3070  df-rmo 3379  df-reu 3380  df-rab 3436  df-v 3481  df-sbc 3788  df-csb 3899  df-dif 3953  df-un 3955  df-in 3957  df-ss 3967  df-nul 4333  df-if 4525  df-pw 4601  df-sn 4626  df-pr 4628  df-op 4632  df-uni 4907  df-iun 4992  df-br 5143  df-opab 5205  df-mpt 5225  df-id 5577  df-po 5591  df-so 5592  df-xp 5690  df-rel 5691  df-cnv 5692  df-co 5693  df-dm 5694  df-rn 5695  df-res 5696  df-ima 5697  df-iota 6513  df-fun 6562  df-fn 6563  df-f 6564  df-f1 6565  df-fo 6566  df-f1o 6567  df-fv 6568  df-riota 7389  df-ov 7435  df-oprab 7436  df-mpo 7437  df-er 8746  df-en 8987  df-dom 8988  df-sdom 8989  df-sup 9483  df-inf 9484  df-pnf 11298  df-mnf 11299  df-xr 11300  df-ltxr 11301  df-le 11302  df-sub 11495  df-neg 11496  df-ico 13394  df-limsup 15508
This theorem is referenced by:  limsupre2mpt  45750  limsupre3lem  45752
  Copyright terms: Public domain W3C validator