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

Theorem limsupreuzmpt 42374
 Description: Given a function on the reals, defined on a set of upper integers, 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, infinitely often; 2. there is a real number that is greater than or equal to the function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Oct-2021.)
Hypotheses
Ref Expression
limsupreuzmpt.j 𝑗𝜑
limsupreuzmpt.m (𝜑𝑀 ∈ ℤ)
limsupreuzmpt.z 𝑍 = (ℤ𝑀)
limsupreuzmpt.b ((𝜑𝑗𝑍) → 𝐵 ∈ ℝ)
Assertion
Ref Expression
limsupreuzmpt (𝜑 → ((lim sup‘(𝑗𝑍𝐵)) ∈ ℝ ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵 ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑥)))
Distinct variable groups:   𝐵,𝑘,𝑥   𝑗,𝑍,𝑘,𝑥
Allowed substitution hints:   𝜑(𝑥,𝑗,𝑘)   𝐵(𝑗)   𝑀(𝑥,𝑗,𝑘)

Proof of Theorem limsupreuzmpt
Dummy variables 𝑖 𝑦 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nfmpt1 5131 . . 3 𝑗(𝑗𝑍𝐵)
2 limsupreuzmpt.m . . 3 (𝜑𝑀 ∈ ℤ)
3 limsupreuzmpt.z . . 3 𝑍 = (ℤ𝑀)
4 limsupreuzmpt.j . . . 4 𝑗𝜑
5 limsupreuzmpt.b . . . 4 ((𝜑𝑗𝑍) → 𝐵 ∈ ℝ)
64, 5fmptd2f 41864 . . 3 (𝜑 → (𝑗𝑍𝐵):𝑍⟶ℝ)
71, 2, 3, 6limsupreuz 42372 . 2 (𝜑 → ((lim sup‘(𝑗𝑍𝐵)) ∈ ℝ ↔ (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦)))
8 nfv 1915 . . . . . . . 8 𝑗 𝑖𝑍
94, 8nfan 1900 . . . . . . 7 𝑗(𝜑𝑖𝑍)
10 simpll 766 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑖𝑍) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ𝑖)) → 𝜑)
113uztrn2 12254 . . . . . . . . . 10 ((𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)) → 𝑗𝑍)
1211adantll 713 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑖𝑍) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ𝑖)) → 𝑗𝑍)
13 eqid 2801 . . . . . . . . . . 11 (𝑗𝑍𝐵) = (𝑗𝑍𝐵)
1413a1i 11 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑗𝑍𝐵) = (𝑗𝑍𝐵))
1514, 5fvmpt2d 6762 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑗𝑍) → ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) = 𝐵)
1610, 12, 15syl2anc 587 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑖𝑍) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ𝑖)) → ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) = 𝐵)
1716breq2d 5045 . . . . . . 7 (((𝜑𝑖𝑍) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ𝑖)) → (𝑦 ≤ ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ↔ 𝑦𝐵))
189, 17rexbida 3280 . . . . . 6 ((𝜑𝑖𝑍) → (∃𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ↔ ∃𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦𝐵))
1918ralbidva 3164 . . . . 5 (𝜑 → (∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ↔ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦𝐵))
2019rexbidv 3259 . . . 4 (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ↔ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦𝐵))
21 breq1 5036 . . . . . . . . 9 (𝑦 = 𝑥 → (𝑦𝐵𝑥𝐵))
2221rexbidv 3259 . . . . . . . 8 (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦𝐵 ↔ ∃𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑥𝐵))
2322ralbidv 3165 . . . . . . 7 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦𝐵 ↔ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑥𝐵))
24 fveq2 6649 . . . . . . . . . 10 (𝑖 = 𝑘 → (ℤ𝑖) = (ℤ𝑘))
2524rexeqdv 3368 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (∃𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑥𝐵 ↔ ∃𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵))
2625cbvralvw 3399 . . . . . . . 8 (∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑥𝐵 ↔ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵)
2726a1i 11 . . . . . . 7 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑥𝐵 ↔ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵))
2823, 27bitrd 282 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦𝐵 ↔ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵))
2928cbvrexvw 3400 . . . . 5 (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦𝐵 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵)
3029a1i 11 . . . 4 (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦𝐵 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵))
3120, 30bitrd 282 . . 3 (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵))
3215breq1d 5043 . . . . . 6 ((𝜑𝑗𝑍) → (((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦𝐵𝑦))
334, 32ralbida 3197 . . . . 5 (𝜑 → (∀𝑗𝑍 ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦 ↔ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑦))
3433rexbidv 3259 . . . 4 (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦 ↔ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑦))
35 breq2 5037 . . . . . . 7 (𝑦 = 𝑥 → (𝐵𝑦𝐵𝑥))
3635ralbidv 3165 . . . . . 6 (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑗𝑍 𝐵𝑦 ↔ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑥))
3736cbvrexvw 3400 . . . . 5 (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑦 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑥)
3837a1i 11 . . . 4 (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑦 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑥))
3934, 38bitrd 282 . . 3 (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑥))
4031, 39anbi12d 633 . 2 (𝜑 → ((∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 ((𝑗𝑍𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦) ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵 ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑥)))
417, 40bitrd 282 1 (𝜑 → ((lim sup‘(𝑗𝑍𝐵)) ∈ ℝ ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘𝑍𝑗 ∈ (ℤ𝑘)𝑥𝐵 ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗𝑍 𝐵𝑥)))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 399   = wceq 1538  Ⅎwnf 1785   ∈ wcel 2112  ∀wral 3109  ∃wrex 3110   class class class wbr 5033   ↦ cmpt 5113  ‘cfv 6328  ℝcr 10529   ≤ cle 10669  ℤcz 11973  ℤ≥cuz 12235  lim supclsp 14823 This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1911  ax-6 1970  ax-7 2015  ax-8 2114  ax-9 2122  ax-10 2143  ax-11 2159  ax-12 2176  ax-ext 2773  ax-rep 5157  ax-sep 5170  ax-nul 5177  ax-pow 5234  ax-pr 5298  ax-un 7445  ax-cnex 10586  ax-resscn 10587  ax-1cn 10588  ax-icn 10589  ax-addcl 10590  ax-addrcl 10591  ax-mulcl 10592  ax-mulrcl 10593  ax-mulcom 10594  ax-addass 10595  ax-mulass 10596  ax-distr 10597  ax-i2m1 10598  ax-1ne0 10599  ax-1rid 10600  ax-rnegex 10601  ax-rrecex 10602  ax-cnre 10603  ax-pre-lttri 10604  ax-pre-lttrn 10605  ax-pre-ltadd 10606  ax-pre-mulgt0 10607  ax-pre-sup 10608 This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 400  df-or 845  df-3or 1085  df-3an 1086  df-tru 1541  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2070  df-mo 2601  df-eu 2632  df-clab 2780  df-cleq 2794  df-clel 2873  df-nfc 2941  df-ne 2991  df-nel 3095  df-ral 3114  df-rex 3115  df-reu 3116  df-rmo 3117  df-rab 3118  df-v 3446  df-sbc 3724  df-csb 3832  df-dif 3887  df-un 3889  df-in 3891  df-ss 3901  df-pss 3903  df-nul 4247  df-if 4429  df-pw 4502  df-sn 4529  df-pr 4531  df-tp 4533  df-op 4535  df-uni 4804  df-int 4842  df-iun 4886  df-br 5034  df-opab 5096  df-mpt 5114  df-tr 5140  df-id 5428  df-eprel 5433  df-po 5442  df-so 5443  df-fr 5482  df-we 5484  df-xp 5529  df-rel 5530  df-cnv 5531  df-co 5532  df-dm 5533  df-rn 5534  df-res 5535  df-ima 5536  df-pred 6120  df-ord 6166  df-on 6167  df-lim 6168  df-suc 6169  df-iota 6287  df-fun 6330  df-fn 6331  df-f 6332  df-f1 6333  df-fo 6334  df-f1o 6335  df-fv 6336  df-riota 7097  df-ov 7142  df-oprab 7143  df-mpo 7144  df-om 7565  df-1st 7675  df-2nd 7676  df-wrecs 7934  df-recs 7995  df-rdg 8033  df-1o 8089  df-oadd 8093  df-er 8276  df-en 8497  df-dom 8498  df-sdom 8499  df-fin 8500  df-sup 8894  df-inf 8895  df-pnf 10670  df-mnf 10671  df-xr 10672  df-ltxr 10673  df-le 10674  df-sub 10865  df-neg 10866  df-nn 11630  df-n0 11890  df-z 11974  df-uz 12236  df-ico 12736  df-fz 12890  df-fzo 13033  df-fl 13161  df-ceil 13162  df-limsup 14824 This theorem is referenced by:  liminfreuzlem  42437
 Copyright terms: Public domain W3C validator