Users' Mathboxes Mathbox for Glauco Siliprandi < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  limsupre3 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem limsupre3 44747
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 less than or equal to the function, at some point, in any upper part of the reals; 2. there is a real number that is eventually greater than or equal to the function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Oct-2021.)
Hypotheses
Ref Expression
limsupre3.1 Ⅎ𝑗𝐹
limsupre3.2 (πœ‘ β†’ 𝐴 βŠ† ℝ)
limsupre3.3 (πœ‘ β†’ 𝐹:π΄βŸΆβ„*)
Assertion
Ref Expression
limsupre3 (πœ‘ β†’ ((lim supβ€˜πΉ) ∈ ℝ ↔ (βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)) ∧ βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))))
Distinct variable groups:   𝐴,𝑗,π‘˜,π‘₯   π‘˜,𝐹,π‘₯
Allowed substitution hints:   πœ‘(π‘₯,𝑗,π‘˜)   𝐹(𝑗)

Proof of Theorem limsupre3
Dummy variables 𝑖 𝑙 𝑦 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nfcv 2901 . . 3 Ⅎ𝑙𝐹
2 limsupre3.2 . . 3 (πœ‘ β†’ 𝐴 βŠ† ℝ)
3 limsupre3.3 . . 3 (πœ‘ β†’ 𝐹:π΄βŸΆβ„*)
41, 2, 3limsupre3lem 44746 . 2 (πœ‘ β†’ ((lim supβ€˜πΉ) ∈ ℝ ↔ (βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ 𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ∧ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦))))
5 breq1 5150 . . . . . . . . 9 (𝑦 = π‘₯ β†’ (𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™) ↔ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)))
65anbi2d 627 . . . . . . . 8 (𝑦 = π‘₯ β†’ ((𝑖 ≀ 𝑙 ∧ 𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™))))
76rexbidv 3176 . . . . . . 7 (𝑦 = π‘₯ β†’ (βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ 𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™))))
87ralbidv 3175 . . . . . 6 (𝑦 = π‘₯ β†’ (βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ 𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™))))
9 breq1 5150 . . . . . . . . . . 11 (𝑖 = π‘˜ β†’ (𝑖 ≀ 𝑙 ↔ π‘˜ ≀ 𝑙))
109anbi1d 628 . . . . . . . . . 10 (𝑖 = π‘˜ β†’ ((𝑖 ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ (π‘˜ ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™))))
1110rexbidv 3176 . . . . . . . . 9 (𝑖 = π‘˜ β†’ (βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™))))
12 nfv 1915 . . . . . . . . . . . 12 Ⅎ𝑗 π‘˜ ≀ 𝑙
13 nfcv 2901 . . . . . . . . . . . . 13 Ⅎ𝑗π‘₯
14 nfcv 2901 . . . . . . . . . . . . 13 Ⅎ𝑗 ≀
15 limsupre3.1 . . . . . . . . . . . . . 14 Ⅎ𝑗𝐹
16 nfcv 2901 . . . . . . . . . . . . . 14 Ⅎ𝑗𝑙
1715, 16nffv 6900 . . . . . . . . . . . . 13 Ⅎ𝑗(πΉβ€˜π‘™)
1813, 14, 17nfbr 5194 . . . . . . . . . . . 12 Ⅎ𝑗 π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)
1912, 18nfan 1900 . . . . . . . . . . 11 Ⅎ𝑗(π‘˜ ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™))
20 nfv 1915 . . . . . . . . . . 11 Ⅎ𝑙(π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—))
21 breq2 5151 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 β†’ (π‘˜ ≀ 𝑙 ↔ π‘˜ ≀ 𝑗))
22 fveq2 6890 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑙 = 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘™) = (πΉβ€˜π‘—))
2322breq2d 5159 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 β†’ (π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™) ↔ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)))
2421, 23anbi12d 629 . . . . . . . . . . 11 (𝑙 = 𝑗 β†’ ((π‘˜ ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—))))
2519, 20, 24cbvrexw 3302 . . . . . . . . . 10 (βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)))
2625a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝑖 = π‘˜ β†’ (βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—))))
2711, 26bitrd 278 . . . . . . . 8 (𝑖 = π‘˜ β†’ (βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—))))
2827cbvralvw 3232 . . . . . . 7 (βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)))
2928a1i 11 . . . . . 6 (𝑦 = π‘₯ β†’ (βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—))))
308, 29bitrd 278 . . . . 5 (𝑦 = π‘₯ β†’ (βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ 𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—))))
3130cbvrexvw 3233 . . . 4 (βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ 𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ↔ βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)))
32 breq2 5151 . . . . . . . . 9 (𝑦 = π‘₯ β†’ ((πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦 ↔ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯))
3332imbi2d 339 . . . . . . . 8 (𝑦 = π‘₯ β†’ ((𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦) ↔ (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯)))
3433ralbidv 3175 . . . . . . 7 (𝑦 = π‘₯ β†’ (βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦) ↔ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯)))
3534rexbidv 3176 . . . . . 6 (𝑦 = π‘₯ β†’ (βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦) ↔ βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯)))
369imbi1d 340 . . . . . . . . . 10 (𝑖 = π‘˜ β†’ ((𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯) ↔ (π‘˜ ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯)))
3736ralbidv 3175 . . . . . . . . 9 (𝑖 = π‘˜ β†’ (βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯) ↔ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯)))
3817, 14, 13nfbr 5194 . . . . . . . . . . . 12 Ⅎ𝑗(πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯
3912, 38nfim 1897 . . . . . . . . . . 11 Ⅎ𝑗(π‘˜ ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯)
40 nfv 1915 . . . . . . . . . . 11 Ⅎ𝑙(π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)
4122breq1d 5157 . . . . . . . . . . . 12 (𝑙 = 𝑗 β†’ ((πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯ ↔ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))
4221, 41imbi12d 343 . . . . . . . . . . 11 (𝑙 = 𝑗 β†’ ((π‘˜ ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯) ↔ (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)))
4339, 40, 42cbvralw 3301 . . . . . . . . . 10 (βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯) ↔ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))
4443a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝑖 = π‘˜ β†’ (βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯) ↔ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)))
4537, 44bitrd 278 . . . . . . . 8 (𝑖 = π‘˜ β†’ (βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯) ↔ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)))
4645cbvrexvw 3233 . . . . . . 7 (βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯) ↔ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))
4746a1i 11 . . . . . 6 (𝑦 = π‘₯ β†’ (βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ π‘₯) ↔ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)))
4835, 47bitrd 278 . . . . 5 (𝑦 = π‘₯ β†’ (βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦) ↔ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)))
4948cbvrexvw 3233 . . . 4 (βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦) ↔ βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))
5031, 49anbi12i 625 . . 3 ((βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ 𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ∧ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦)) ↔ (βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)) ∧ βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯)))
5150a1i 11 . 2 (πœ‘ β†’ ((βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆ€π‘– ∈ ℝ βˆƒπ‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 ∧ 𝑦 ≀ (πΉβ€˜π‘™)) ∧ βˆƒπ‘¦ ∈ ℝ βˆƒπ‘– ∈ ℝ βˆ€π‘™ ∈ 𝐴 (𝑖 ≀ 𝑙 β†’ (πΉβ€˜π‘™) ≀ 𝑦)) ↔ (βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)) ∧ βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))))
524, 51bitrd 278 1 (πœ‘ β†’ ((lim supβ€˜πΉ) ∈ ℝ ↔ (βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆ€π‘˜ ∈ ℝ βˆƒπ‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 ∧ π‘₯ ≀ (πΉβ€˜π‘—)) ∧ βˆƒπ‘₯ ∈ ℝ βˆƒπ‘˜ ∈ ℝ βˆ€π‘— ∈ 𝐴 (π‘˜ ≀ 𝑗 β†’ (πΉβ€˜π‘—) ≀ π‘₯))))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:   β†’ wi 4   ↔ wb 205   ∧ wa 394   = wceq 1539   ∈ wcel 2104  β„²wnfc 2881  βˆ€wral 3059  βˆƒwrex 3068   βŠ† wss 3947   class class class wbr 5147  βŸΆwf 6538  β€˜cfv 6542  β„cr 11111  β„*cxr 11251   ≀ cle 11253  lim supclsp 15418
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1911  ax-6 1969  ax-7 2009  ax-8 2106  ax-9 2114  ax-10 2135  ax-11 2152  ax-12 2169  ax-ext 2701  ax-rep 5284  ax-sep 5298  ax-nul 5305  ax-pow 5362  ax-pr 5426  ax-un 7727  ax-cnex 11168  ax-resscn 11169  ax-1cn 11170  ax-icn 11171  ax-addcl 11172  ax-addrcl 11173  ax-mulcl 11174  ax-mulrcl 11175  ax-mulcom 11176  ax-addass 11177  ax-mulass 11178  ax-distr 11179  ax-i2m1 11180  ax-1ne0 11181  ax-1rid 11182  ax-rnegex 11183  ax-rrecex 11184  ax-cnre 11185  ax-pre-lttri 11186  ax-pre-lttrn 11187  ax-pre-ltadd 11188  ax-pre-mulgt0 11189  ax-pre-sup 11190
This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 395  df-or 844  df-3or 1086  df-3an 1087  df-tru 1542  df-fal 1552  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2532  df-eu 2561  df-clab 2708  df-cleq 2722  df-clel 2808  df-nfc 2883  df-ne 2939  df-nel 3045  df-ral 3060  df-rex 3069  df-rmo 3374  df-reu 3375  df-rab 3431  df-v 3474  df-sbc 3777  df-csb 3893  df-dif 3950  df-un 3952  df-in 3954  df-ss 3964  df-nul 4322  df-if 4528  df-pw 4603  df-sn 4628  df-pr 4630  df-op 4634  df-uni 4908  df-iun 4998  df-br 5148  df-opab 5210  df-mpt 5231  df-id 5573  df-po 5587  df-so 5588  df-xp 5681  df-rel 5682  df-cnv 5683  df-co 5684  df-dm 5685  df-rn 5686  df-res 5687  df-ima 5688  df-iota 6494  df-fun 6544  df-fn 6545  df-f 6546  df-f1 6547  df-fo 6548  df-f1o 6549  df-fv 6550  df-riota 7367  df-ov 7414  df-oprab 7415  df-mpo 7416  df-er 8705  df-en 8942  df-dom 8943  df-sdom 8944  df-sup 9439  df-inf 9440  df-pnf 11254  df-mnf 11255  df-xr 11256  df-ltxr 11257  df-le 11258  df-sub 11450  df-neg 11451  df-ico 13334  df-limsup 15419
This theorem is referenced by:  limsupre3mpt  44748  limsupre3uzlem  44749
  Copyright terms: Public domain W3C validator