Theorem limsupresxr 43632

Description: The superior limit of a function only depends on the restriction of that function to the preimage of the set of extended reals. (Contributed by Glauco Siliprandi, 2-Jan-2022.)

Hypotheses

Ref	Expression
limsupresxr.1	⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ 𝑉)
limsupresxr.2	⊢ (𝜑 → Fun 𝐹)
limsupresxr.3	⊢ 𝐴 = (◡𝐹 “ ℝ*)

Assertion

Ref	Expression
limsupresxr	⊢ (𝜑 → (lim sup‘(𝐹 ↾ 𝐴)) = (lim sup‘𝐹))

Proof of Theorem limsupresxr

Dummy variables 𝑘 𝑥 𝑦 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		resimass 43101	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ⊆ (𝐹 “ (𝑘[,)+∞))
2	1	a1i 11	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ⊆ (𝐹 “ (𝑘[,)+∞)))
3	2	ssrind 4181	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ⊆ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*))
4		limsupresxr.2	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → Fun 𝐹)
5	4	funfnd 6509	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → 𝐹 Fn dom 𝐹)
6		elinel1 4141	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) → 𝑦 ∈ (𝐹 “ (𝑘[,)+∞)))
7		fvelima2 43123	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝐹 Fn dom 𝐹 ∧ 𝑦 ∈ (𝐹 “ (𝑘[,)+∞))) → ∃𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))(𝐹‘𝑥) = 𝑦)
8	5, 6, 7	syl2an 596	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) → ∃𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))(𝐹‘𝑥) = 𝑦)
9		elinel1 4141	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) → 𝑥 ∈ dom 𝐹)
10	9	3ad2ant2 1133	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ ((𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑥 ∈ dom 𝐹)
11		simpr 485	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ ((𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → (𝐹‘𝑥) = 𝑦)
12		elinel2 4142	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 ⊢ (𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) → 𝑦 ∈ ℝ*)
13	12	adantr 481	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ ((𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑦 ∈ ℝ*)
14	11, 13	eqeltrd 2837	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ ((𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → (𝐹‘𝑥) ∈ ℝ*)
15	14	3adant2 1130	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ ((𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → (𝐹‘𝑥) ∈ ℝ*)
16	10, 15	jca 512	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → (𝑥 ∈ dom 𝐹 ∧ (𝐹‘𝑥) ∈ ℝ*))
17	16	3adant1l 1175	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → (𝑥 ∈ dom 𝐹 ∧ (𝐹‘𝑥) ∈ ℝ*))
18		simp1l 1196	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝜑)
19		elpreima 6985	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝐹 Fn dom 𝐹 → (𝑥 ∈ (◡𝐹 “ ℝ*) ↔ (𝑥 ∈ dom 𝐹 ∧ (𝐹‘𝑥) ∈ ℝ*)))
20	5, 19	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝜑 → (𝑥 ∈ (◡𝐹 “ ℝ*) ↔ (𝑥 ∈ dom 𝐹 ∧ (𝐹‘𝑥) ∈ ℝ*)))
21	18, 20	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → (𝑥 ∈ (◡𝐹 “ ℝ*) ↔ (𝑥 ∈ dom 𝐹 ∧ (𝐹‘𝑥) ∈ ℝ*)))
22	17, 21	mpbird 256	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑥 ∈ (◡𝐹 “ ℝ*))
23		limsupresxr.3	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ 𝐴 = (◡𝐹 “ ℝ*)
24	22, 23	eleqtrrdi 2848	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑥 ∈ 𝐴)
25	24	3expa 1117	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑥 ∈ 𝐴)
26	25	fvresd 6839	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → ((𝐹 ↾ 𝐴)‘𝑥) = (𝐹‘𝑥))
27		simpr 485	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → (𝐹‘𝑥) = 𝑦)
28	26, 27	eqtr2d 2777	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑦 = ((𝐹 ↾ 𝐴)‘𝑥))
29		simplll 772	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝜑)
30	4	funresd 6521	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝜑 → Fun (𝐹 ↾ 𝐴))
31	29, 30	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → Fun (𝐹 ↾ 𝐴))
32	9	ad2antlr 724	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑥 ∈ dom 𝐹)
33	25, 32	elind 4140	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑥 ∈ (𝐴 ∩ dom 𝐹))
34		dmres 5939	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ dom (𝐹 ↾ 𝐴) = (𝐴 ∩ dom 𝐹)
35	33, 34	eleqtrrdi 2848	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑥 ∈ dom (𝐹 ↾ 𝐴))
36	31, 35	jca 512	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → (Fun (𝐹 ↾ 𝐴) ∧ 𝑥 ∈ dom (𝐹 ↾ 𝐴)))
37		elinel2 4142	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞)) → 𝑥 ∈ (𝑘[,)+∞))
38	37	ad2antlr 724	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑥 ∈ (𝑘[,)+∞))
39		funfvima 7156	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((Fun (𝐹 ↾ 𝐴) ∧ 𝑥 ∈ dom (𝐹 ↾ 𝐴)) → (𝑥 ∈ (𝑘[,)+∞) → ((𝐹 ↾ 𝐴)‘𝑥) ∈ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞))))
40	36, 38, 39	sylc 65	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → ((𝐹 ↾ 𝐴)‘𝑥) ∈ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)))
41	28, 40	eqeltrd 2837	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) ∧ 𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))) ∧ (𝐹‘𝑥) = 𝑦) → 𝑦 ∈ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)))
42	41	rexlimdva2 3150	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) → (∃𝑥 ∈ (dom 𝐹 ∩ (𝑘[,)+∞))(𝐹‘𝑥) = 𝑦 → 𝑦 ∈ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞))))
43	8, 42	mpd 15	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)) → 𝑦 ∈ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)))
44	43	ralrimiva 3139	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → ∀𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)𝑦 ∈ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)))
45		dfss3 3919	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ⊆ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ↔ ∀𝑦 ∈ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*)𝑦 ∈ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)))
46	44, 45	sylibr 233	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ⊆ ((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)))
47		inss2 4175	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ⊆ ℝ*
48	47	a1i 11	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ⊆ ℝ*)
49	46, 48	ssind 4178	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) ⊆ (((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*))
50	3, 49	eqssd 3948	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*) = ((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*))
51	50	supeq1d 9295	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → sup((((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ) = sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))
52	51	mpteq2dv 5191	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup((((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )) = (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )))
53	52	rneqd 5873	. . 3 ⊢ (𝜑 → ran (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup((((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )) = ran (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )))
54	53	infeq1d 9326	. 2 ⊢ (𝜑 → inf(ran (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup((((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )), ℝ*, < ) = inf(ran (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )), ℝ*, < ))
55		limsupresxr.1	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ 𝑉)
56	55	resexd 5964	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ↾ 𝐴) ∈ V)
57		eqid 2736	. . . 4 ⊢ (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup((((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )) = (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup((((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))
58	57	limsupval 15274	. . 3 ⊢ ((𝐹 ↾ 𝐴) ∈ V → (lim sup‘(𝐹 ↾ 𝐴)) = inf(ran (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup((((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )), ℝ*, < ))
59	56, 58	syl 17	. 2 ⊢ (𝜑 → (lim sup‘(𝐹 ↾ 𝐴)) = inf(ran (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup((((𝐹 ↾ 𝐴) “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )), ℝ*, < ))
60		eqid 2736	. . . 4 ⊢ (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )) = (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < ))
61	60	limsupval 15274	. . 3 ⊢ (𝐹 ∈ 𝑉 → (lim sup‘𝐹) = inf(ran (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )), ℝ*, < ))
62	55, 61	syl 17	. 2 ⊢ (𝜑 → (lim sup‘𝐹) = inf(ran (𝑘 ∈ ℝ ↦ sup(((𝐹 “ (𝑘[,)+∞)) ∩ ℝ*), ℝ*, < )), ℝ*, < ))
63	54, 59, 62	3eqtr4d 2786	1 ⊢ (𝜑 → (lim sup‘(𝐹 ↾ 𝐴)) = (lim sup‘𝐹))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 205   ∧ wa 396   ∧ w3a 1086   = wceq 1540   ∈ wcel 2105  ∀wral 3061  ∃wrex 3070  Vcvv 3441   ∩ cin 3896   ⊆ wss 3897   ↦ cmpt 5172  ^◡ccnv 5613  dom cdm 5614  ran crn 5615   ↾ cres 5616   “ cima 5617  Fun wfun 6467   Fn wfn 6468  ‘cfv 6473  (class class class)co 7329  supcsup 9289  infcinf 9290  ℝcr 10963  +∞cpnf 11099  ℝ^*cxr 11101   < clt 11102  [,)cico 13174  lim supclsp 15270

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1796  ax-4 1810  ax-5 1912  ax-6 1970  ax-7 2010  ax-8 2107  ax-9 2115  ax-10 2136  ax-11 2153  ax-12 2170  ax-ext 2707  ax-sep 5240  ax-nul 5247  ax-pow 5305  ax-pr 5369  ax-un 7642  ax-cnex 11020  ax-resscn 11021  ax-pre-lttri 11038  ax-pre-lttrn 11039

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 845  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1781  df-nf 1785  df-sb 2067  df-mo 2538  df-eu 2567  df-clab 2714  df-cleq 2728  df-clel 2814  df-nfc 2886  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3349  df-rab 3404  df-v 3443  df-sbc 3727  df-csb 3843  df-dif 3900  df-un 3902  df-in 3904  df-ss 3914  df-nul 4269  df-if 4473  df-pw 4548  df-sn 4573  df-pr 4575  df-op 4579  df-uni 4852  df-br 5090  df-opab 5152  df-mpt 5173  df-id 5512  df-po 5526  df-so 5527  df-xp 5620  df-rel 5621  df-cnv 5622  df-co 5623  df-dm 5624  df-rn 5625  df-res 5626  df-ima 5627  df-iota 6425  df-fun 6475  df-fn 6476  df-f 6477  df-f1 6478  df-fo 6479  df-f1o 6480  df-fv 6481  df-er 8561  df-en 8797  df-dom 8798  df-sdom 8799  df-sup 9291  df-inf 9292  df-pnf 11104  df-mnf 11105  df-xr 11106  df-ltxr 11107  df-limsup 15271

This theorem is referenced by: (None)