Users' Mathboxes Mathbox for Glauco Siliprandi < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  limsupre2mpt Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem limsupre2mpt 44446
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
limsupre2mpt.p β„²π‘₯πœ‘
limsupre2mpt.a (πœ‘ β†’ 𝐴 βŠ† ℝ)
limsupre2mpt.b ((πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ 𝐴) β†’ 𝐡 ∈ ℝ*)
Assertion
Ref Expression
limsupre2mpt (πœ‘ β†’ ((lim supβ€˜(π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)) ∈ ℝ ↔ (βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡) ∧ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦))))
Distinct variable groups:   𝐴,π‘˜,π‘₯,𝑦   𝐡,π‘˜,𝑦
Allowed substitution hints:   πœ‘(π‘₯,𝑦,π‘˜)   𝐡(π‘₯)

Proof of Theorem limsupre2mpt
Dummy variables 𝑗 𝑀 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nfmpt1 5257 . . 3 β„²π‘₯(π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)
2 limsupre2mpt.a . . 3 (πœ‘ β†’ 𝐴 βŠ† ℝ)
3 limsupre2mpt.p . . . 4 β„²π‘₯πœ‘
4 limsupre2mpt.b . . . 4 ((πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ 𝐴) β†’ 𝐡 ∈ ℝ*)
53, 4fmptd2f 43937 . . 3 (πœ‘ β†’ (π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡):π΄βŸΆβ„*)
61, 2, 5limsupre2 44441 . 2 (πœ‘ β†’ ((lim supβ€˜(π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)) ∈ ℝ ↔ (βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯)) ∧ βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) < 𝑀))))
7 eqid 2733 . . . . . . . . . 10 (π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡) = (π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)
87a1i 11 . . . . . . . . 9 (πœ‘ β†’ (π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡) = (π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡))
98, 4fvmpt2d 7012 . . . . . . . 8 ((πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ 𝐴) β†’ ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) = 𝐡)
109breq2d 5161 . . . . . . 7 ((πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ 𝐴) β†’ (𝑀 < ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) ↔ 𝑀 < 𝐡))
1110anbi2d 630 . . . . . 6 ((πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ 𝐴) β†’ ((𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯)) ↔ (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡)))
123, 11rexbida 3270 . . . . 5 (πœ‘ β†’ (βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯)) ↔ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡)))
1312ralbidv 3178 . . . 4 (πœ‘ β†’ (βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯)) ↔ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡)))
1413rexbidv 3179 . . 3 (πœ‘ β†’ (βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯)) ↔ βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡)))
159breq1d 5159 . . . . . . 7 ((πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ 𝐴) β†’ (((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) < 𝑀 ↔ 𝐡 < 𝑀))
1615imbi2d 341 . . . . . 6 ((πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ 𝐴) β†’ ((𝑗 ≀ π‘₯ β†’ ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) < 𝑀) ↔ (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀)))
173, 16ralbida 3268 . . . . 5 (πœ‘ β†’ (βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) < 𝑀) ↔ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀)))
1817rexbidv 3179 . . . 4 (πœ‘ β†’ (βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) < 𝑀) ↔ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀)))
1918rexbidv 3179 . . 3 (πœ‘ β†’ (βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) < 𝑀) ↔ βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀)))
2014, 19anbi12d 632 . 2 (πœ‘ β†’ ((βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯)) ∧ βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ ((π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)β€˜π‘₯) < 𝑀)) ↔ (βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡) ∧ βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀))))
21 breq1 5152 . . . . . . . . 9 (𝑀 = 𝑦 β†’ (𝑀 < 𝐡 ↔ 𝑦 < 𝐡))
2221anbi2d 630 . . . . . . . 8 (𝑀 = 𝑦 β†’ ((𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡) ↔ (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡)))
2322rexbidv 3179 . . . . . . 7 (𝑀 = 𝑦 β†’ (βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡) ↔ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡)))
2423ralbidv 3178 . . . . . 6 (𝑀 = 𝑦 β†’ (βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡) ↔ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡)))
25 breq1 5152 . . . . . . . . . 10 (𝑗 = π‘˜ β†’ (𝑗 ≀ π‘₯ ↔ π‘˜ ≀ π‘₯))
2625anbi1d 631 . . . . . . . . 9 (𝑗 = π‘˜ β†’ ((𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡) ↔ (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡)))
2726rexbidv 3179 . . . . . . . 8 (𝑗 = π‘˜ β†’ (βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡) ↔ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡)))
2827cbvralvw 3235 . . . . . . 7 (βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡) ↔ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡))
2928a1i 11 . . . . . 6 (𝑀 = 𝑦 β†’ (βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡) ↔ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡)))
3024, 29bitrd 279 . . . . 5 (𝑀 = 𝑦 β†’ (βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡) ↔ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡)))
3130cbvrexvw 3236 . . . 4 (βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡) ↔ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡))
32 breq2 5153 . . . . . . . . 9 (𝑀 = 𝑦 β†’ (𝐡 < 𝑀 ↔ 𝐡 < 𝑦))
3332imbi2d 341 . . . . . . . 8 (𝑀 = 𝑦 β†’ ((𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀) ↔ (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦)))
3433ralbidv 3178 . . . . . . 7 (𝑀 = 𝑦 β†’ (βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀) ↔ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦)))
3534rexbidv 3179 . . . . . 6 (𝑀 = 𝑦 β†’ (βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀) ↔ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦)))
3625imbi1d 342 . . . . . . . . 9 (𝑗 = π‘˜ β†’ ((𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦) ↔ (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦)))
3736ralbidv 3178 . . . . . . . 8 (𝑗 = π‘˜ β†’ (βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦) ↔ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦)))
3837cbvrexvw 3236 . . . . . . 7 (βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦) ↔ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦))
3938a1i 11 . . . . . 6 (𝑀 = 𝑦 β†’ (βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦) ↔ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦)))
4035, 39bitrd 279 . . . . 5 (𝑀 = 𝑦 β†’ (βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀) ↔ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦)))
4140cbvrexvw 3236 . . . 4 (βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀) ↔ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦))
4231, 41anbi12i 628 . . 3 ((βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡) ∧ βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀)) ↔ (βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡) ∧ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦)))
4342a1i 11 . 2 (πœ‘ β†’ ((βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ ∧ 𝑀 < 𝐡) ∧ βˆƒπ‘€ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (𝑗 ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑀)) ↔ (βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡) ∧ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦))))
446, 20, 433bitrd 305 1 (πœ‘ β†’ ((lim supβ€˜(π‘₯ ∈ 𝐴 ↦ 𝐡)) ∈ ℝ ↔ (βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ ∧ 𝑦 < 𝐡) ∧ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘₯ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ π‘₯ β†’ 𝐡 < 𝑦))))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:   β†’ wi 4   ↔ wb 205   ∧ wa 397   = wceq 1542  β„²wnf 1786   ∈ wcel 2107  βˆ€wral 3062  βˆƒwrex 3071   βŠ† wss 3949   class class class wbr 5149   ↦ cmpt 5232  β€˜cfv 6544  β„cr 11109  β„*cxr 11247   < clt 11248   ≀ cle 11249  lim supclsp 15414
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1798  ax-4 1812  ax-5 1914  ax-6 1972  ax-7 2012  ax-8 2109  ax-9 2117  ax-10 2138  ax-11 2155  ax-12 2172  ax-ext 2704  ax-rep 5286  ax-sep 5300  ax-nul 5307  ax-pow 5364  ax-pr 5428  ax-un 7725  ax-cnex 11166  ax-resscn 11167  ax-1cn 11168  ax-icn 11169  ax-addcl 11170  ax-addrcl 11171  ax-mulcl 11172  ax-mulrcl 11173  ax-mulcom 11174  ax-addass 11175  ax-mulass 11176  ax-distr 11177  ax-i2m1 11178  ax-1ne0 11179  ax-1rid 11180  ax-rnegex 11181  ax-rrecex 11182  ax-cnre 11183  ax-pre-lttri 11184  ax-pre-lttrn 11185  ax-pre-ltadd 11186  ax-pre-mulgt0 11187  ax-pre-sup 11188
This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 398  df-or 847  df-3or 1089  df-3an 1090  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1783  df-nf 1787  df-sb 2069  df-mo 2535  df-eu 2564  df-clab 2711  df-cleq 2725  df-clel 2811  df-nfc 2886  df-ne 2942  df-nel 3048  df-ral 3063  df-rex 3072  df-rmo 3377  df-reu 3378  df-rab 3434  df-v 3477  df-sbc 3779  df-csb 3895  df-dif 3952  df-un 3954  df-in 3956  df-ss 3966  df-nul 4324  df-if 4530  df-pw 4605  df-sn 4630  df-pr 4632  df-op 4636  df-uni 4910  df-iun 5000  df-br 5150  df-opab 5212  df-mpt 5233  df-id 5575  df-po 5589  df-so 5590  df-xp 5683  df-rel 5684  df-cnv 5685  df-co 5686  df-dm 5687  df-rn 5688  df-res 5689  df-ima 5690  df-iota 6496  df-fun 6546  df-fn 6547  df-f 6548  df-f1 6549  df-fo 6550  df-f1o 6551  df-fv 6552  df-riota 7365  df-ov 7412  df-oprab 7413  df-mpo 7414  df-er 8703  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-sup 9437  df-inf 9438  df-pnf 11250  df-mnf 11251  df-xr 11252  df-ltxr 11253  df-le 11254  df-sub 11446  df-neg 11447  df-ico 13330  df-limsup 15415
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator