MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  supminf Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem supminf 11983
Description: The supremum of a bounded-above set of reals is the negation of the infimum of that set's image under negation. (Contributed by Paul Chapman, 21-Mar-2011.) ( Revised by AV, 13-Sep-2020.)
Assertion
Ref Expression
supminf ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → sup(𝐴, ℝ, < ) = -inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ))
Distinct variable group:   𝑥,𝐴,𝑦,𝑧

Proof of Theorem supminf
Dummy variable 𝑤 is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 negn0 10665 . . . . 5 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅) → {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ≠ ∅)
2 ublbneg 11981 . . . . 5 (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥 → ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}𝑥𝑦)
3 ssrab2 3836 . . . . . 6 {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ⊆ ℝ
4 infrenegsup 11212 . . . . . 6 (({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ⊆ ℝ ∧ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}𝑥𝑦) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) = -sup({𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}}, ℝ, < ))
53, 4mp3an1 1559 . . . . 5 (({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}𝑥𝑦) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) = -sup({𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}}, ℝ, < ))
61, 2, 5syl2an 583 . . . 4 (((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅) ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) = -sup({𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}}, ℝ, < ))
763impa 1100 . . 3 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) = -sup({𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}}, ℝ, < ))
8 elrabi 3510 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ {𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}} → 𝑥 ∈ ℝ)
98adantl 467 . . . . . . 7 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝑥 ∈ {𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}}) → 𝑥 ∈ ℝ)
10 ssel2 3747 . . . . . . 7 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝑥𝐴) → 𝑥 ∈ ℝ)
11 negeq 10479 . . . . . . . . . . 11 (𝑤 = 𝑥 → -𝑤 = -𝑥)
1211eleq1d 2835 . . . . . . . . . 10 (𝑤 = 𝑥 → (-𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ↔ -𝑥 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}))
1312elrab3 3516 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ ℝ → (𝑥 ∈ {𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}} ↔ -𝑥 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}))
14 renegcl 10550 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ ℝ → -𝑥 ∈ ℝ)
15 negeq 10479 . . . . . . . . . . . 12 (𝑧 = -𝑥 → -𝑧 = --𝑥)
1615eleq1d 2835 . . . . . . . . . . 11 (𝑧 = -𝑥 → (-𝑧𝐴 ↔ --𝑥𝐴))
1716elrab3 3516 . . . . . . . . . 10 (-𝑥 ∈ ℝ → (-𝑥 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ↔ --𝑥𝐴))
1814, 17syl 17 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ ℝ → (-𝑥 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ↔ --𝑥𝐴))
19 recn 10232 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ ℝ → 𝑥 ∈ ℂ)
2019negnegd 10589 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ ℝ → --𝑥 = 𝑥)
2120eleq1d 2835 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ ℝ → (--𝑥𝐴𝑥𝐴))
2213, 18, 213bitrd 294 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ ℝ → (𝑥 ∈ {𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}} ↔ 𝑥𝐴))
2322adantl 467 . . . . . . 7 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (𝑥 ∈ {𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}} ↔ 𝑥𝐴))
249, 10, 23eqrdav 2770 . . . . . 6 (𝐴 ⊆ ℝ → {𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}} = 𝐴)
2524supeq1d 8512 . . . . 5 (𝐴 ⊆ ℝ → sup({𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}}, ℝ, < ) = sup(𝐴, ℝ, < ))
26253ad2ant1 1127 . . . 4 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → sup({𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}}, ℝ, < ) = sup(𝐴, ℝ, < ))
2726negeqd 10481 . . 3 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → -sup({𝑤 ∈ ℝ ∣ -𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}}, ℝ, < ) = -sup(𝐴, ℝ, < ))
287, 27eqtrd 2805 . 2 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) = -sup(𝐴, ℝ, < ))
29 infrecl 11211 . . . . . 6 (({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ⊆ ℝ ∧ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}𝑥𝑦) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) ∈ ℝ)
303, 29mp3an1 1559 . . . . 5 (({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴} ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ {𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}𝑥𝑦) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) ∈ ℝ)
311, 2, 30syl2an 583 . . . 4 (((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅) ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) ∈ ℝ)
32313impa 1100 . . 3 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) ∈ ℝ)
33 suprcl 11189 . . 3 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → sup(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ)
34 recn 10232 . . . 4 (inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) ∈ ℝ → inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) ∈ ℂ)
35 recn 10232 . . . 4 (sup(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ → sup(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℂ)
36 negcon2 10540 . . . 4 ((inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) ∈ ℂ ∧ sup(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℂ) → (inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) = -sup(𝐴, ℝ, < ) ↔ sup(𝐴, ℝ, < ) = -inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < )))
3734, 35, 36syl2an 583 . . 3 ((inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) ∈ ℝ ∧ sup(𝐴, ℝ, < ) ∈ ℝ) → (inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) = -sup(𝐴, ℝ, < ) ↔ sup(𝐴, ℝ, < ) = -inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < )))
3832, 33, 37syl2anc 573 . 2 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → (inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ) = -sup(𝐴, ℝ, < ) ↔ sup(𝐴, ℝ, < ) = -inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < )))
3928, 38mpbid 222 1 ((𝐴 ⊆ ℝ ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦𝐴 𝑦𝑥) → sup(𝐴, ℝ, < ) = -inf({𝑧 ∈ ℝ ∣ -𝑧𝐴}, ℝ, < ))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 196  wa 382  w3a 1071   = wceq 1631  wcel 2145  wne 2943  wral 3061  wrex 3062  {crab 3065  wss 3723  c0 4063   class class class wbr 4787  supcsup 8506  infcinf 8507  cc 10140  cr 10141   < clt 10280  cle 10281  -cneg 10473
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1870  ax-4 1885  ax-5 1991  ax-6 2057  ax-7 2093  ax-8 2147  ax-9 2154  ax-10 2174  ax-11 2190  ax-12 2203  ax-13 2408  ax-ext 2751  ax-sep 4916  ax-nul 4924  ax-pow 4975  ax-pr 5035  ax-un 7100  ax-resscn 10199  ax-1cn 10200  ax-icn 10201  ax-addcl 10202  ax-addrcl 10203  ax-mulcl 10204  ax-mulrcl 10205  ax-mulcom 10206  ax-addass 10207  ax-mulass 10208  ax-distr 10209  ax-i2m1 10210  ax-1ne0 10211  ax-1rid 10212  ax-rnegex 10213  ax-rrecex 10214  ax-cnre 10215  ax-pre-lttri 10216  ax-pre-lttrn 10217  ax-pre-ltadd 10218  ax-pre-mulgt0 10219  ax-pre-sup 10220
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-an 383  df-or 837  df-3or 1072  df-3an 1073  df-tru 1634  df-ex 1853  df-nf 1858  df-sb 2050  df-eu 2622  df-mo 2623  df-clab 2758  df-cleq 2764  df-clel 2767  df-nfc 2902  df-ne 2944  df-nel 3047  df-ral 3066  df-rex 3067  df-reu 3068  df-rmo 3069  df-rab 3070  df-v 3353  df-sbc 3588  df-csb 3683  df-dif 3726  df-un 3728  df-in 3730  df-ss 3737  df-nul 4064  df-if 4227  df-pw 4300  df-sn 4318  df-pr 4320  df-op 4324  df-uni 4576  df-br 4788  df-opab 4848  df-mpt 4865  df-id 5158  df-po 5171  df-so 5172  df-xp 5256  df-rel 5257  df-cnv 5258  df-co 5259  df-dm 5260  df-rn 5261  df-res 5262  df-ima 5263  df-iota 5993  df-fun 6032  df-fn 6033  df-f 6034  df-f1 6035  df-fo 6036  df-f1o 6037  df-fv 6038  df-isom 6039  df-riota 6757  df-ov 6799  df-oprab 6800  df-mpt2 6801  df-er 7900  df-en 8114  df-dom 8115  df-sdom 8116  df-sup 8508  df-inf 8509  df-pnf 10282  df-mnf 10283  df-xr 10284  df-ltxr 10285  df-le 10286  df-sub 10474  df-neg 10475
This theorem is referenced by:  supminfrnmpt  40183
  Copyright terms: Public domain W3C validator