Users' Mathboxes Mathbox for Glauco Siliprandi < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  limsupre2lem Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem limsupre2lem 46329
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
limsupre2lem.1 𝑗𝐹
limsupre2lem.2 (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
limsupre2lem.3 (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
Assertion
Ref Expression
limsupre2lem (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   𝜑,𝑗,𝑘,𝑥
Allowed substitution hint:   𝐹(𝑗)

Proof of Theorem limsupre2lem
StepHypRef Expression
1 limsupre2lem.3 . . . . 5 (𝜑𝐹:𝐴⟶ℝ*)
2 reex 11190 . . . . . . 7 ℝ ∈ V
32a1i 11 . . . . . 6 (𝜑 → ℝ ∈ V)
4 limsupre2lem.2 . . . . . 6 (𝜑𝐴 ⊆ ℝ)
53, 4ssexd 5295 . . . . 5 (𝜑𝐴 ∈ V)
61, 5fexd 7226 . . . 4 (𝜑𝐹 ∈ V)
76limsupcld 46295 . . 3 (𝜑 → (lim sup‘𝐹) ∈ ℝ*)
8 xrre4 46016 . . 3 ((lim sup‘𝐹) ∈ ℝ* → ((lim sup‘𝐹) ∈ ℝ ↔ ((lim sup‘𝐹) ≠ -∞ ∧ (lim sup‘𝐹) ≠ +∞)))
97, 8syl 18 . 2 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ∈ ℝ ↔ ((lim sup‘𝐹) ≠ -∞ ∧ (lim sup‘𝐹) ≠ +∞)))
10 df-ne 2965 . . . . 5 ((lim sup‘𝐹) ≠ -∞ ↔ ¬ (lim sup‘𝐹) = -∞)
1110a1i 11 . . . 4 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ≠ -∞ ↔ ¬ (lim sup‘𝐹) = -∞))
12 limsupre2lem.1 . . . . . 6 𝑗𝐹
1312, 4, 1limsupmnf 46326 . . . . 5 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) = -∞ ↔ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
1413notbid 321 . . . 4 (𝜑 → (¬ (lim sup‘𝐹) = -∞ ↔ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
15 annim 408 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ¬ (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
1615rexbii 3118 . . . . . . . . . . 11 (∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑗𝐴 ¬ (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
17 rexnal 3123 . . . . . . . . . . 11 (∃𝑗𝐴 ¬ (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ¬ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
1816, 17bitri 278 . . . . . . . . . 10 (∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ¬ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
1918ralbii 3117 . . . . . . . . 9 (∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∀𝑘 ∈ ℝ ¬ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
20 ralnex 3097 . . . . . . . . 9 (∀𝑘 ∈ ℝ ¬ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ¬ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
2119, 20bitri 278 . . . . . . . 8 (∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ¬ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
2221rexbii 3118 . . . . . . 7 (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ¬ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
23 rexnal 3123 . . . . . . 7 (∃𝑥 ∈ ℝ ¬ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
2422, 23bitr2i 279 . . . . . 6 (¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
2524a1i 11 . . . . 5 (𝜑 → (¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥)))
26 simplr 780 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → 𝑥 ∈ ℝ)
2726rexrd 11258 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → 𝑥 ∈ ℝ*)
281adantr 485 . . . . . . . . . . . 12 ((𝜑𝑥 ∈ ℝ) → 𝐹:𝐴⟶ℝ*)
2928ffvelcdmda 7080 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → (𝐹𝑗) ∈ ℝ*)
3027, 29xrltnled 11276 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → (𝑥 < (𝐹𝑗) ↔ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥))
3130bicomd 226 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → (¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥𝑥 < (𝐹𝑗)))
3231anbi2d 641 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → ((𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
3332rexbidva 3193 . . . . . . 7 ((𝜑𝑥 ∈ ℝ) → (∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
3433ralbidv 3194 . . . . . 6 ((𝜑𝑥 ∈ ℝ) → (∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
3534rexbidva 3193 . . . . 5 (𝜑 → (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗 ∧ ¬ (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
3625, 35bitrd 282 . . . 4 (𝜑 → (¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) ≤ 𝑥) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
3711, 14, 363bitrd 308 . . 3 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ≠ -∞ ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗))))
38 df-ne 2965 . . . . 5 ((lim sup‘𝐹) ≠ +∞ ↔ ¬ (lim sup‘𝐹) = +∞)
3938a1i 11 . . . 4 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ≠ +∞ ↔ ¬ (lim sup‘𝐹) = +∞))
4012, 4, 1limsuppnf 46316 . . . . 5 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) = +∞ ↔ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
4140notbid 321 . . . 4 (𝜑 → (¬ (lim sup‘𝐹) = +∞ ↔ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
4229, 27xrltnled 11276 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → ((𝐹𝑗) < 𝑥 ↔ ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
4342imbi2d 343 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑥 ∈ ℝ) ∧ 𝑗𝐴) → ((𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥) ↔ (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
4443ralbidva 3192 . . . . . . 7 ((𝜑𝑥 ∈ ℝ) → (∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥) ↔ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
4544rexbidv 3195 . . . . . 6 ((𝜑𝑥 ∈ ℝ) → (∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
4645rexbidva 3193 . . . . 5 (𝜑 → (∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
47 imnan 404 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
4847ralbii 3117 . . . . . . . . . . 11 (∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ∀𝑗𝐴 ¬ (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
49 ralnex 3097 . . . . . . . . . . 11 (∀𝑗𝐴 ¬ (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
5048, 49bitri 278 . . . . . . . . . 10 (∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
5150rexbii 3118 . . . . . . . . 9 (∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ∃𝑘 ∈ ℝ ¬ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
52 rexnal 3123 . . . . . . . . 9 (∃𝑘 ∈ ℝ ¬ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
5351, 52bitri 278 . . . . . . . 8 (∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
5453rexbii 3118 . . . . . . 7 (∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ¬ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
55 rexnal 3123 . . . . . . 7 (∃𝑥 ∈ ℝ ¬ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
5654, 55bitri 278 . . . . . 6 (∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)))
5756a1i 11 . . . . 5 (𝜑 → (∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → ¬ 𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗))))
5846, 57bitr2d 283 . . . 4 (𝜑 → (¬ ∀𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 ≤ (𝐹𝑗)) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
5939, 41, 583bitrd 308 . . 3 (𝜑 → ((lim sup‘𝐹) ≠ +∞ ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥)))
6037, 59anbi12d 643 . 2 (𝜑 → (((lim sup‘𝐹) ≠ -∞ ∧ (lim sup‘𝐹) ≠ +∞) ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℝ ∃𝑗𝐴 (𝑘𝑗𝑥 < (𝐹𝑗)) ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∃𝑘 ∈ ℝ ∀𝑗𝐴 (𝑘𝑗 → (𝐹𝑗) < 𝑥))))
619, 60bitrd 282 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:  ¬ wn 3  wi 4  wb 209  wa 400   = wceq 1567  wcel 2149  wnfc 2916  wne 2964  wral 3085  wrex 3095  Vcvv 3463  wss 3913   class class class wbr 5113  wf 6533  cfv 6537  cr 11098  +∞cpnf 11239  -∞cmnf 11240  *cxr 11241   < clt 11242  cle 11243  lim supclsp 15520
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1822  ax-4 1836  ax-5 1937  ax-6 1994  ax-7 2035  ax-8 2151  ax-9 2159  ax-10 2182  ax-11 2198  ax-12 2219  ax-ext 2741  ax-rep 5242  ax-sep 5261  ax-nul 5271  ax-pow 5337  ax-pr 5405  ax-un 7733  ax-cnex 11155  ax-resscn 11156  ax-1cn 11157  ax-icn 11158  ax-addcl 11159  ax-addrcl 11160  ax-mulcl 11161  ax-mulrcl 11162  ax-mulcom 11163  ax-addass 11164  ax-mulass 11165  ax-distr 11166  ax-i2m1 11167  ax-1ne0 11168  ax-1rid 11169  ax-rnegex 11170  ax-rrecex 11171  ax-cnre 11172  ax-pre-lttri 11173  ax-pre-lttrn 11174  ax-pre-ltadd 11175  ax-pre-mulgt0 11176  ax-pre-sup 11177
This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1570  df-fal 1580  df-ex 1807  df-nf 1811  df-sb 2098  df-mo 2573  df-eu 2603  df-clab 2748  df-cleq 2761  df-clel 2844  df-nfc 2918  df-ne 2965  df-nel 3071  df-ral 3086  df-rex 3096  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3424  df-v 3465  df-sbc 3754  df-csb 3862  df-dif 3916  df-un 3918  df-in 3920  df-ss 3930  df-nul 4295  df-if 4493  df-pw 4569  df-sn 4595  df-pr 4597  df-op 4601  df-uni 4877  df-iun 4962  df-br 5114  df-opab 5178  df-mpt 5197  df-id 5557  df-po 5570  df-so 5571  df-xp 5668  df-rel 5669  df-cnv 5670  df-co 5671  df-dm 5672  df-rn 5673  df-res 5674  df-ima 5675  df-iota 6493  df-fun 6539  df-fn 6540  df-f 6541  df-f1 6542  df-fo 6543  df-f1o 6544  df-fv 6545  df-riota 7368  df-ov 7414  df-oprab 7415  df-mpo 7416  df-er 8693  df-en 8943  df-dom 8944  df-sdom 8945  df-sup 9401  df-inf 9402  df-pnf 11244  df-mnf 11245  df-xr 11246  df-ltxr 11247  df-le 11248  df-sub 11442  df-neg 11443  df-ico 13377  df-limsup 15521
This theorem is referenced by:  limsupre2  46330
  Copyright terms: Public domain W3C validator