Theorem limsupreuzmpt 46581

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	⊢ Ⅎ𝑗𝜑
limsupreuzmpt.m	⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℤ)
limsupreuzmpt.z	⊢ 𝑍 = (ℤ≥‘𝑀)
limsupreuzmpt.b	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑍) → 𝐵 ∈ ℝ)

Assertion

Ref	Expression
limsupreuzmpt	⊢ (𝜑 → ((lim sup‘(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)) ∈ ℝ ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵 ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑥)))

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.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nfmpt1 5204	. . 3 ⊢ Ⅎ𝑗(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)
2		limsupreuzmpt.m	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℤ)
3		limsupreuzmpt.z	. . 3 ⊢ 𝑍 = (ℤ≥‘𝑀)
4		limsupreuzmpt.j	. . . 4 ⊢ Ⅎ𝑗𝜑
5		limsupreuzmpt.b	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑍) → 𝐵 ∈ ℝ)
6	4, 5	fmptd2f 46078	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵):𝑍⟶ℝ)
7	1, 2, 3, 6	limsupreuz 46579	. 2 ⊢ (𝜑 → ((lim sup‘(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)) ∈ ℝ ↔ (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦)))
8		nfv 1947	. . . . . . . 8 ⊢ Ⅎ𝑗 𝑖 ∈ 𝑍
9	4, 8	nfan 1932	. . . . . . 7 ⊢ Ⅎ𝑗(𝜑 ∧ 𝑖 ∈ 𝑍)
10		simpll 779	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑖 ∈ 𝑍) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝜑)
11	3	uztrn2 12928	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑖 ∈ 𝑍 ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝑗 ∈ 𝑍)
12	11	adantll 727	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑖 ∈ 𝑍) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → 𝑗 ∈ 𝑍)
13		eqid 2760	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵) = (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)
14	13	a1i 11	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵) = (𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵))
15	14, 5	fvmpt2d 7002	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑍) → ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) = 𝐵)
16	10, 12, 15	syl2anc 596	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑖 ∈ 𝑍) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) = 𝐵)
17	16	breq2d 5115	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑖 ∈ 𝑍) ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)) → (𝑦 ≤ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ↔ 𝑦 ≤ 𝐵))
18	9, 17	rexbida 3274	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑖 ∈ 𝑍) → (∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ↔ ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ 𝐵))
19	18	ralbidva 3183	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ↔ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ 𝐵))
20	19	rexbidv 3186	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ↔ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ 𝐵))
21		breq1 5106	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑦 = 𝑥 → (𝑦 ≤ 𝐵 ↔ 𝑥 ≤ 𝐵))
22	21	rexbidv 3186	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑦 = 𝑥 → (∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ 𝐵 ↔ ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑥 ≤ 𝐵))
23	22	ralbidv 3185	. . . . . . 7 ⊢ (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ 𝐵 ↔ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑥 ≤ 𝐵))
24		fveq2 6880	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑖 = 𝑘 → (ℤ≥‘𝑖) = (ℤ≥‘𝑘))
25	24	rexeqdv 3320	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑖 = 𝑘 → (∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑥 ≤ 𝐵 ↔ ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵))
26	25	cbvralvw 3240	. . . . . . . 8 ⊢ (∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑥 ≤ 𝐵 ↔ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵)
27	26	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑥 ≤ 𝐵 ↔ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵))
28	23, 27	bitrd 282	. . . . . 6 ⊢ (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ 𝐵 ↔ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵))
29	28	cbvrexvw 3241	. . . . 5 ⊢ (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ 𝐵 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵)
30	29	a1i 11	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ 𝐵 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵))
31	20, 30	bitrd 282	. . 3 ⊢ (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵))
32	15	breq1d 5113	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑍) → (((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦 ↔ 𝐵 ≤ 𝑦))
33	4, 32	ralbida 3273	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (∀𝑗 ∈ 𝑍 ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦 ↔ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑦))
34	33	rexbidv 3186	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦 ↔ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑦))
35		breq2 5107	. . . . . . 7 ⊢ (𝑦 = 𝑥 → (𝐵 ≤ 𝑦 ↔ 𝐵 ≤ 𝑥))
36	35	ralbidv 3185	. . . . . 6 ⊢ (𝑦 = 𝑥 → (∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑦 ↔ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑥))
37	36	cbvrexvw 3241	. . . . 5 ⊢ (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑦 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑥)
38	37	a1i 11	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑦 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑥))
39	34, 38	bitrd 282	. . 3 ⊢ (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑥))
40	31, 39	anbi12d 644	. 2 ⊢ (𝜑 → ((∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑖 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑖)𝑦 ≤ ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 ((𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)‘𝑗) ≤ 𝑦) ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵 ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑥)))
41	7, 40	bitrd 282	1 ⊢ (𝜑 → ((lim sup‘(𝑗 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)) ∈ ℝ ↔ (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ 𝑍 ∃𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑘)𝑥 ≤ 𝐵 ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑗 ∈ 𝑍 𝐵 ≤ 𝑥)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   = wceq 1570  Ⅎwnf 1816   ∈ wcel 2145  ∀wral 3076  ∃wrex 3086   class class class wbr 5103   ↦ cmpt 5186  ‘cfv 6534  ℝcr 11145   ≤ cle 11290  ℤcz 12637  ℤ_≥cuz 12909  lim supclsp 15579

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2213  ax-ext 2732  ax-rep 5232  ax-sep 5251  ax-nul 5263  ax-pow 5330  ax-pr 5398  ax-un 7738  ax-cnex 11202  ax-resscn 11203  ax-1cn 11204  ax-icn 11205  ax-addcl 11206  ax-addrcl 11207  ax-mulcl 11208  ax-mulrcl 11209  ax-mulcom 11210  ax-addass 11211  ax-mulass 11212  ax-distr 11213  ax-i2m1 11214  ax-1ne0 11215  ax-1rid 11216  ax-rnegex 11217  ax-rrecex 11218  ax-cnre 11219  ax-pre-lttri 11220  ax-pre-lttrn 11221  ax-pre-ltadd 11222  ax-pre-mulgt0 11223  ax-pre-sup 11224

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2100  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3740  df-csb 3848  df-dif 3902  df-un 3904  df-in 3906  df-ss 3916  df-pss 3919  df-nul 4280  df-if 4483  df-pw 4559  df-sn 4585  df-pr 4587  df-op 4591  df-uni 4868  df-iun 4953  df-br 5104  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-tr 5213  df-id 5550  df-eprel 5555  df-po 5563  df-so 5564  df-fr 5608  df-we 5610  df-xp 5661  df-rel 5662  df-cnv 5663  df-co 5664  df-dm 5665  df-rn 5666  df-res 5667  df-ima 5668  df-pred 6300  df-ord 6361  df-on 6362  df-lim 6363  df-suc 6364  df-iota 6490  df-fun 6536  df-fn 6537  df-f 6538  df-f1 6539  df-fo 6540  df-f1o 6541  df-fv 6542  df-riota 7372  df-ov 7418  df-oprab 7419  df-mpo 7420  df-om 7865  df-1st 7988  df-2nd 7989  df-frecs 8282  df-wrecs 8313  df-recs 8362  df-rdg 8401  df-1o 8459  df-er 8700  df-en 8957  df-dom 8958  df-sdom 8959  df-fin 8960  df-sup 9416  df-inf 9417  df-pnf 11291  df-mnf 11292  df-xr 11293  df-ltxr 11294  df-le 11295  df-sub 11489  df-neg 11490  df-nn 12280  df-n0 12551  df-z 12638  df-uz 12910  df-ico 13426  df-fz 13584  df-fzo 13732  df-fl 13875  df-ceil 13876  df-limsup 15580

This theorem is used by:  liminfreuzlem  46644