Theorem upbdrech 42517

Description: Choice of an upper bound for a nonempty bunded set (image set version). (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019.)

Hypotheses

Ref	Expression
upbdrech.a	⊢ (𝜑 → 𝐴 ≠ ∅)
upbdrech.b	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝐵 ∈ ℝ)
upbdrech.bd	⊢ (𝜑 → ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦)
upbdrech.c	⊢ 𝐶 = sup({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}, ℝ, < )

Assertion

Ref	Expression
upbdrech	⊢ (𝜑 → (𝐶 ∈ ℝ ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝐶))

Distinct variable groups:   𝑥,𝐴,𝑦,𝑧   𝑦,𝐵,𝑧   𝜑,𝑥,𝑦

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑧)   𝐵(𝑥)   𝐶(𝑥,𝑦,𝑧)

Proof of Theorem upbdrech

Dummy variable 𝑤 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		upbdrech.c	. . 3 ⊢ 𝐶 = sup({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}, ℝ, < )
2		upbdrech.b	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝐵 ∈ ℝ)
3	2	ralrimiva 3105	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ)
4		nfra1 3140	. . . . . . 7 ⊢ Ⅎ𝑥∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ
5		nfv 1922	. . . . . . 7 ⊢ Ⅎ𝑥 𝑧 ∈ ℝ
6		simp3 1140	. . . . . . . . 9 ⊢ ((∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝑧 = 𝐵) → 𝑧 = 𝐵)
7		rspa 3128	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝐵 ∈ ℝ)
8	7	3adant3 1134	. . . . . . . . 9 ⊢ ((∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝑧 = 𝐵) → 𝐵 ∈ ℝ)
9	6, 8	eqeltrd 2838	. . . . . . . 8 ⊢ ((∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝑧 = 𝐵) → 𝑧 ∈ ℝ)
10	9	3exp 1121	. . . . . . 7 ⊢ (∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ → (𝑥 ∈ 𝐴 → (𝑧 = 𝐵 → 𝑧 ∈ ℝ)))
11	4, 5, 10	rexlimd 3236	. . . . . 6 ⊢ (∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ → (∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵 → 𝑧 ∈ ℝ))
12	11	abssdv 3982	. . . . 5 ⊢ (∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℝ → {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ⊆ ℝ)
13	3, 12	syl 17	. . . 4 ⊢ (𝜑 → {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ⊆ ℝ)
14		upbdrech.a	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ≠ ∅)
15		eqidd 2738	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑥 ∈ 𝐴 → 𝐵 = 𝐵)
16	15	rgen 3071	. . . . . . 7 ⊢ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 = 𝐵
17		r19.2z 4406	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ≠ ∅ ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 = 𝐵) → ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 = 𝐵)
18	14, 16, 17	sylancl 589	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 = 𝐵)
19		nfv 1922	. . . . . . 7 ⊢ Ⅎ𝑥𝜑
20		nfre1 3225	. . . . . . . 8 ⊢ Ⅎ𝑥∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵
21	20	nfex 2323	. . . . . . 7 ⊢ Ⅎ𝑥∃𝑧∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵
22		simpr 488	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝑥 ∈ 𝐴)
23		elex 3426	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝐵 ∈ ℝ → 𝐵 ∈ V)
24	2, 23	syl 17	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝐵 ∈ V)
25		isset 3421	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝐵 ∈ V ↔ ∃𝑧 𝑧 = 𝐵)
26	24, 25	sylib 221	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → ∃𝑧 𝑧 = 𝐵)
27		rspe 3223	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑥 ∈ 𝐴 ∧ ∃𝑧 𝑧 = 𝐵) → ∃𝑥 ∈ 𝐴 ∃𝑧 𝑧 = 𝐵)
28	22, 26, 27	syl2anc 587	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → ∃𝑥 ∈ 𝐴 ∃𝑧 𝑧 = 𝐵)
29		rexcom4 3172	. . . . . . . . . 10 ⊢ (∃𝑥 ∈ 𝐴 ∃𝑧 𝑧 = 𝐵 ↔ ∃𝑧∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵)
30	28, 29	sylib 221	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → ∃𝑧∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵)
31	30	3adant3 1134	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝐵 = 𝐵) → ∃𝑧∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵)
32	31	3exp 1121	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝑥 ∈ 𝐴 → (𝐵 = 𝐵 → ∃𝑧∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵)))
33	19, 21, 32	rexlimd 3236	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (∃𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 = 𝐵 → ∃𝑧∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵))
34	18, 33	mpd 15	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ∃𝑧∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵)
35		abn0 4295	. . . . 5 ⊢ ({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ≠ ∅ ↔ ∃𝑧∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵)
36	34, 35	sylibr 237	. . . 4 ⊢ (𝜑 → {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ≠ ∅)
37		upbdrech.bd	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦)
38		vex 3412	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 𝑤 ∈ V
39		eqeq1 2741	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → (𝑧 = 𝐵 ↔ 𝑤 = 𝐵))
40	39	rexbidv 3216	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → (∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵 ↔ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑤 = 𝐵))
41	38, 40	elab 3587	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ↔ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑤 = 𝐵)
42	41	biimpi 219	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} → ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑤 = 𝐵)
43	42	adantl 485	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}) → ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑤 = 𝐵)
44		nfra1 3140	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ Ⅎ𝑥∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦
45	19, 44	nfan 1907	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ Ⅎ𝑥(𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦)
46	20	nfsab 2727	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ Ⅎ𝑥 𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}
47	45, 46	nfan 1907	. . . . . . . . . . 11 ⊢ Ⅎ𝑥((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵})
48		nfv 1922	. . . . . . . . . . 11 ⊢ Ⅎ𝑥 𝑤 ≤ 𝑦
49		simp3 1140	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝑤 = 𝐵) → 𝑤 = 𝐵)
50		simp1r 1200	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝑤 = 𝐵) → ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦)
51		simp2 1139	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝑤 = 𝐵) → 𝑥 ∈ 𝐴)
52		rspa 3128	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝐵 ≤ 𝑦)
53	50, 51, 52	syl2anc 587	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝑤 = 𝐵) → 𝐵 ≤ 𝑦)
54	49, 53	eqbrtrd 5075	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝑤 = 𝐵) → 𝑤 ≤ 𝑦)
55	54	3exp 1121	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) → (𝑥 ∈ 𝐴 → (𝑤 = 𝐵 → 𝑤 ≤ 𝑦)))
56	55	adantr 484	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}) → (𝑥 ∈ 𝐴 → (𝑤 = 𝐵 → 𝑤 ≤ 𝑦)))
57	47, 48, 56	rexlimd 3236	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}) → (∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑤 = 𝐵 → 𝑤 ≤ 𝑦))
58	43, 57	mpd 15	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}) → 𝑤 ≤ 𝑦)
59	58	ralrimiva 3105	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) → ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}𝑤 ≤ 𝑦)
60	59	3adant2 1133	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑦 ∈ ℝ ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦) → ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}𝑤 ≤ 𝑦)
61	60	3exp 1121	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑦 ∈ ℝ → (∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦 → ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}𝑤 ≤ 𝑦)))
62	61	reximdvai 3191	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝑦 → ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}𝑤 ≤ 𝑦))
63	37, 62	mpd 15	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}𝑤 ≤ 𝑦)
64		suprcl 11792	. . . 4 ⊢ (({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ⊆ ℝ ∧ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ≠ ∅ ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}𝑤 ≤ 𝑦) → sup({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}, ℝ, < ) ∈ ℝ)
65	13, 36, 63, 64	syl3anc 1373	. . 3 ⊢ (𝜑 → sup({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}, ℝ, < ) ∈ ℝ)
66	1, 65	eqeltrid 2842	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℝ)
67	13	adantr 484	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ⊆ ℝ)
68	30, 35	sylibr 237	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ≠ ∅)
69	63	adantr 484	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}𝑤 ≤ 𝑦)
70		elabrexg 42262	. . . . . 6 ⊢ ((𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → 𝐵 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵})
71	22, 2, 70	syl2anc 587	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝐵 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵})
72		suprub 11793	. . . . 5 ⊢ ((({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ⊆ ℝ ∧ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵} ≠ ∅ ∧ ∃𝑦 ∈ ℝ ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}𝑤 ≤ 𝑦) ∧ 𝐵 ∈ {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}) → 𝐵 ≤ sup({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}, ℝ, < ))
73	67, 68, 69, 71, 72	syl31anc 1375	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝐵 ≤ sup({𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ 𝐴 𝑧 = 𝐵}, ℝ, < ))
74	73, 1	breqtrrdi 5095	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴) → 𝐵 ≤ 𝐶)
75	74	ralrimiva 3105	. 2 ⊢ (𝜑 → ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝐶)
76	66, 75	jca 515	1 ⊢ (𝜑 → (𝐶 ∈ ℝ ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ≤ 𝐶))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 399   ∧ w3a 1089   = wceq 1543  ∃wex 1787   ∈ wcel 2110  {cab 2714   ≠ wne 2940  ∀wral 3061  ∃wrex 3062  Vcvv 3408   ⊆ wss 3866  ∅c0 4237   class class class wbr 5053  supcsup 9056  ℝcr 10728   < clt 10867   ≤ cle 10868

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1803  ax-4 1817  ax-5 1918  ax-6 1976  ax-7 2016  ax-8 2112  ax-9 2120  ax-10 2141  ax-11 2158  ax-12 2175  ax-ext 2708  ax-sep 5192  ax-nul 5199  ax-pow 5258  ax-pr 5322  ax-un 7523  ax-resscn 10786  ax-1cn 10787  ax-icn 10788  ax-addcl 10789  ax-addrcl 10790  ax-mulcl 10791  ax-mulrcl 10792  ax-mulcom 10793  ax-addass 10794  ax-mulass 10795  ax-distr 10796  ax-i2m1 10797  ax-1ne0 10798  ax-1rid 10799  ax-rnegex 10800  ax-rrecex 10801  ax-cnre 10802  ax-pre-lttri 10803  ax-pre-lttrn 10804  ax-pre-ltadd 10805  ax-pre-mulgt0 10806  ax-pre-sup 10807

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 400  df-or 848  df-3or 1090  df-3an 1091  df-tru 1546  df-fal 1556  df-ex 1788  df-nf 1792  df-sb 2071  df-mo 2539  df-eu 2568  df-clab 2715  df-cleq 2729  df-clel 2816  df-nfc 2886  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3066  df-rex 3067  df-reu 3068  df-rmo 3069  df-rab 3070  df-v 3410  df-sbc 3695  df-csb 3812  df-dif 3869  df-un 3871  df-in 3873  df-ss 3883  df-nul 4238  df-if 4440  df-pw 4515  df-sn 4542  df-pr 4544  df-op 4548  df-uni 4820  df-br 5054  df-opab 5116  df-mpt 5136  df-id 5455  df-po 5468  df-so 5469  df-xp 5557  df-rel 5558  df-cnv 5559  df-co 5560  df-dm 5561  df-rn 5562  df-res 5563  df-ima 5564  df-iota 6338  df-fun 6382  df-fn 6383  df-f 6384  df-f1 6385  df-fo 6386  df-f1o 6387  df-fv 6388  df-riota 7170  df-ov 7216  df-oprab 7217  df-mpo 7218  df-er 8391  df-en 8627  df-dom 8628  df-sdom 8629  df-sup 9058  df-pnf 10869  df-mnf 10870  df-xr 10871  df-ltxr 10872  df-le 10873  df-sub 11064  df-neg 11065

This theorem is referenced by:  upbdrech2  42520