Theorem stowei 41759

Description: This theorem proves the Stone-Weierstrass theorem for real-valued functions: let 𝐽 be a compact topology on 𝑇, and 𝐶 be the set of real continuous functions on 𝑇. Assume that 𝐴 is a subalgebra of 𝐶 (closed under addition and multiplication of functions) containing constant functions and discriminating points (if 𝑟 and 𝑡 are distinct points in 𝑇, then there exists a function ℎ in 𝐴 such that h(r) is distinct from h(t) ). Then, for any continuous function 𝐹 and for any positive real 𝐸, there exists a function 𝑓 in the subalgebra 𝐴, such that 𝑓 approximates 𝐹 up to 𝐸 (𝐸 represents the usual ε value). As a classical example, given any a, b reals, the closed interval 𝑇 = [𝑎, 𝑏] could be taken, along with the subalgebra 𝐴 of real polynomials on 𝑇, and then use this theorem to easily prove that real polynomials are dense in the standard metric space of continuous functions on [𝑎, 𝑏]. The proof and lemmas are written following [BrosowskiDeutsh] p. 89 (through page 92). Some effort is put in avoiding the use of the axiom of choice. The deduction version of this theorem is stoweid 41758: often times it will be better to use stoweid 41758 in other proofs (but this version is probably easier to be read and understood). (Contributed by Glauco Siliprandi, 20-Apr-2017.)

Hypotheses

Ref	Expression
stowei.1	⊢ 𝐾 = (topGen‘ran (,))
stowei.2	⊢ 𝐽 ∈ Comp
stowei.3	⊢ 𝑇 = ∪ 𝐽
stowei.4	⊢ 𝐶 = (𝐽 Cn 𝐾)
stowei.5	⊢ 𝐴 ⊆ 𝐶
stowei.6	⊢ ((𝑓 ∈ 𝐴 ∧ 𝑔 ∈ 𝐴) → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ ((𝑓‘𝑡) + (𝑔‘𝑡))) ∈ 𝐴)
stowei.7	⊢ ((𝑓 ∈ 𝐴 ∧ 𝑔 ∈ 𝐴) → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ ((𝑓‘𝑡) · (𝑔‘𝑡))) ∈ 𝐴)
stowei.8	⊢ (𝑥 ∈ ℝ → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ 𝑥) ∈ 𝐴)
stowei.9	⊢ ((𝑟 ∈ 𝑇 ∧ 𝑡 ∈ 𝑇 ∧ 𝑟 ≠ 𝑡) → ∃ℎ ∈ 𝐴 (ℎ‘𝑟) ≠ (ℎ‘𝑡))
stowei.10	⊢ 𝐹 ∈ 𝐶
stowei.11	⊢ 𝐸 ∈ ℝ+

Assertion

Ref	Expression
stowei	⊢ ∃𝑓 ∈ 𝐴 ∀𝑡 ∈ 𝑇 (abs‘((𝑓‘𝑡) − (𝐹‘𝑡))) < 𝐸

Distinct variable groups:   𝑓,𝑔,𝑡,𝐴   𝑓,ℎ,𝑟,𝑥,𝑡,𝐴   𝑓,𝐸,𝑔,𝑡   𝑓,𝐹,𝑔,𝑡   𝑓,𝐽,𝑟,𝑡   𝑇,𝑓,𝑔,𝑡   ℎ,𝐸,𝑟,𝑥   ℎ,𝐹,𝑟,𝑥   𝑇,ℎ,𝑟,𝑥   𝑡,𝐾

Allowed substitution hints:   𝐶(𝑥,𝑡,𝑓,𝑔,ℎ,𝑟)   𝐽(𝑥,𝑔,ℎ)   𝐾(𝑥,𝑓,𝑔,ℎ,𝑟)

Proof of Theorem stowei

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nfcv 2929	. . 3 ⊢ Ⅎ𝑡𝐹
2		nftru 1767	. . 3 ⊢ Ⅎ𝑡⊤
3		stowei.1	. . 3 ⊢ 𝐾 = (topGen‘ran (,))
4		stowei.2	. . . 4 ⊢ 𝐽 ∈ Comp
5	4	a1i 11	. . 3 ⊢ (⊤ → 𝐽 ∈ Comp)
6		stowei.3	. . 3 ⊢ 𝑇 = ∪ 𝐽
7		stowei.4	. . 3 ⊢ 𝐶 = (𝐽 Cn 𝐾)
8		stowei.5	. . . 4 ⊢ 𝐴 ⊆ 𝐶
9	8	a1i 11	. . 3 ⊢ (⊤ → 𝐴 ⊆ 𝐶)
10		stowei.6	. . . 4 ⊢ ((𝑓 ∈ 𝐴 ∧ 𝑔 ∈ 𝐴) → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ ((𝑓‘𝑡) + (𝑔‘𝑡))) ∈ 𝐴)
11	10	3adant1 1110	. . 3 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑓 ∈ 𝐴 ∧ 𝑔 ∈ 𝐴) → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ ((𝑓‘𝑡) + (𝑔‘𝑡))) ∈ 𝐴)
12		stowei.7	. . . 4 ⊢ ((𝑓 ∈ 𝐴 ∧ 𝑔 ∈ 𝐴) → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ ((𝑓‘𝑡) · (𝑔‘𝑡))) ∈ 𝐴)
13	12	3adant1 1110	. . 3 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑓 ∈ 𝐴 ∧ 𝑔 ∈ 𝐴) → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ ((𝑓‘𝑡) · (𝑔‘𝑡))) ∈ 𝐴)
14		stowei.8	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ℝ → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ 𝑥) ∈ 𝐴)
15	14	adantl 474	. . 3 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (𝑡 ∈ 𝑇 ↦ 𝑥) ∈ 𝐴)
16		stowei.9	. . . 4 ⊢ ((𝑟 ∈ 𝑇 ∧ 𝑡 ∈ 𝑇 ∧ 𝑟 ≠ 𝑡) → ∃ℎ ∈ 𝐴 (ℎ‘𝑟) ≠ (ℎ‘𝑡))
17	16	adantl 474	. . 3 ⊢ ((⊤ ∧ (𝑟 ∈ 𝑇 ∧ 𝑡 ∈ 𝑇 ∧ 𝑟 ≠ 𝑡)) → ∃ℎ ∈ 𝐴 (ℎ‘𝑟) ≠ (ℎ‘𝑡))
18		stowei.10	. . . 4 ⊢ 𝐹 ∈ 𝐶
19	18	a1i 11	. . 3 ⊢ (⊤ → 𝐹 ∈ 𝐶)
20		stowei.11	. . . 4 ⊢ 𝐸 ∈ ℝ+
21	20	a1i 11	. . 3 ⊢ (⊤ → 𝐸 ∈ ℝ+)
22	1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21	stoweid 41758	. 2 ⊢ (⊤ → ∃𝑓 ∈ 𝐴 ∀𝑡 ∈ 𝑇 (abs‘((𝑓‘𝑡) − (𝐹‘𝑡))) < 𝐸)
23	22	mptru 1514	1 ⊢ ∃𝑓 ∈ 𝐴 ∀𝑡 ∈ 𝑇 (abs‘((𝑓‘𝑡) − (𝐹‘𝑡))) < 𝐸

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 387   ∧ w3a 1068   = wceq 1507  ⊤wtru 1508   ∈ wcel 2048   ≠ wne 2964  ∀wral 3085  ∃wrex 3086   ⊆ wss 3828  ∪ cuni 4710   class class class wbr 4927   ↦ cmpt 5006  ran crn 5405  ‘cfv 6186  (class class class)co 6974  ℝcr 10330   + caddc 10334   · cmul 10336   < clt 10470   − cmin 10666  ℝ⁺crp 12201  (,)cioo 12551  abscabs 14448  topGenctg 16561   Cn ccn 21530  Compccmp 21692

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1758  ax-4 1772  ax-5 1869  ax-6 1928  ax-7 1964  ax-8 2050  ax-9 2057  ax-10 2077  ax-11 2091  ax-12 2104  ax-13 2299  ax-ext 2747  ax-rep 5047  ax-sep 5058  ax-nul 5065  ax-pow 5117  ax-pr 5184  ax-un 7277  ax-inf2 8894  ax-cnex 10387  ax-resscn 10388  ax-1cn 10389  ax-icn 10390  ax-addcl 10391  ax-addrcl 10392  ax-mulcl 10393  ax-mulrcl 10394  ax-mulcom 10395  ax-addass 10396  ax-mulass 10397  ax-distr 10398  ax-i2m1 10399  ax-1ne0 10400  ax-1rid 10401  ax-rnegex 10402  ax-rrecex 10403  ax-cnre 10404  ax-pre-lttri 10405  ax-pre-lttrn 10406  ax-pre-ltadd 10407  ax-pre-mulgt0 10408  ax-pre-sup 10409  ax-addf 10410  ax-mulf 10411

This theorem depends on definitions:  df-bi 199  df-an 388  df-or 834  df-3or 1069  df-3an 1070  df-tru 1510  df-fal 1520  df-ex 1743  df-nf 1747  df-sb 2014  df-mo 2544  df-eu 2580  df-clab 2756  df-cleq 2768  df-clel 2843  df-nfc 2915  df-ne 2965  df-nel 3071  df-ral 3090  df-rex 3091  df-reu 3092  df-rmo 3093  df-rab 3094  df-v 3414  df-sbc 3681  df-csb 3786  df-dif 3831  df-un 3833  df-in 3835  df-ss 3842  df-pss 3844  df-nul 4178  df-if 4349  df-pw 4422  df-sn 4440  df-pr 4442  df-tp 4444  df-op 4446  df-uni 4711  df-int 4748  df-iun 4792  df-iin 4793  df-br 4928  df-opab 4990  df-mpt 5007  df-tr 5029  df-id 5309  df-eprel 5314  df-po 5323  df-so 5324  df-fr 5363  df-se 5364  df-we 5365  df-xp 5410  df-rel 5411  df-cnv 5412  df-co 5413  df-dm 5414  df-rn 5415  df-res 5416  df-ima 5417  df-pred 5984  df-ord 6030  df-on 6031  df-lim 6032  df-suc 6033  df-iota 6150  df-fun 6188  df-fn 6189  df-f 6190  df-f1 6191  df-fo 6192  df-f1o 6193  df-fv 6194  df-isom 6195  df-riota 6935  df-ov 6977  df-oprab 6978  df-mpo 6979  df-of 7225  df-om 7395  df-1st 7498  df-2nd 7499  df-supp 7631  df-wrecs 7747  df-recs 7809  df-rdg 7847  df-1o 7901  df-2o 7902  df-oadd 7905  df-er 8085  df-map 8204  df-pm 8205  df-ixp 8256  df-en 8303  df-dom 8304  df-sdom 8305  df-fin 8306  df-fsupp 8625  df-fi 8666  df-sup 8697  df-inf 8698  df-oi 8765  df-card 9158  df-cda 9384  df-pnf 10472  df-mnf 10473  df-xr 10474  df-ltxr 10475  df-le 10476  df-sub 10668  df-neg 10669  df-div 11095  df-nn 11436  df-2 11500  df-3 11501  df-4 11502  df-5 11503  df-6 11504  df-7 11505  df-8 11506  df-9 11507  df-n0 11705  df-z 11791  df-dec 11909  df-uz 12056  df-q 12160  df-rp 12202  df-xneg 12321  df-xadd 12322  df-xmul 12323  df-ioo 12555  df-ioc 12556  df-ico 12557  df-icc 12558  df-fz 12706  df-fzo 12847  df-fl 12974  df-seq 13182  df-exp 13242  df-hash 13503  df-cj 14313  df-re 14314  df-im 14315  df-sqrt 14449  df-abs 14450  df-clim 14700  df-rlim 14701  df-sum 14898  df-struct 16335  df-ndx 16336  df-slot 16337  df-base 16339  df-sets 16340  df-ress 16341  df-plusg 16428  df-mulr 16429  df-starv 16430  df-sca 16431  df-vsca 16432  df-ip 16433  df-tset 16434  df-ple 16435  df-ds 16437  df-unif 16438  df-hom 16439  df-cco 16440  df-rest 16546  df-topn 16547  df-0g 16565  df-gsum 16566  df-topgen 16567  df-pt 16568  df-prds 16571  df-xrs 16625  df-qtop 16630  df-imas 16631  df-xps 16633  df-mre 16709  df-mrc 16710  df-acs 16712  df-mgm 17704  df-sgrp 17746  df-mnd 17757  df-submnd 17798  df-mulg 18006  df-cntz 18212  df-cmn 18662  df-psmet 20233  df-xmet 20234  df-met 20235  df-bl 20236  df-mopn 20237  df-cnfld 20242  df-top 21200  df-topon 21217  df-topsp 21239  df-bases 21252  df-cld 21325  df-cn 21533  df-cnp 21534  df-cmp 21693  df-tx 21868  df-hmeo 22061  df-xms 22627  df-ms 22628  df-tms 22629

This theorem is referenced by: (None)