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Theorem bfp

Description: Banach fixed point theorem, also known as contraction mapping theorem. A contraction on a complete metric space has a unique fixed point. We show existence in the lemmas, and uniqueness here - if F has two fixed points, then the distance between them is less than K times itself, a contradiction. (Contributed by Jeff Madsen, 2-Sep-2009) (Proof shortened by Mario Carneiro, 5-Jun-2014)

Ref Expression
Hypotheses bfp.2 φ D CMet X
bfp.3 φ X
bfp.4 φ K +
bfp.5 φ K < 1
bfp.6 φ F : X X
bfp.7 φ x X y X F x D F y K x D y
Assertion bfp φ ∃! z X F z = z

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 bfp.2 φ D CMet X
2 bfp.3 φ X
3 bfp.4 φ K +
4 bfp.5 φ K < 1
5 bfp.6 φ F : X X
6 bfp.7 φ x X y X F x D F y K x D y
7 n0 X w w X
8 2 7 sylib φ w w X
9 1 adantr φ w X D CMet X
10 2 adantr φ w X X
11 3 adantr φ w X K +
12 4 adantr φ w X K < 1
13 5 adantr φ w X F : X X
14 6 adantlr φ w X x X y X F x D F y K x D y
15 eqid MetOpen D = MetOpen D
16 simpr φ w X w X
17 eqid seq 1 F 1 st × w = seq 1 F 1 st × w
18 9 10 11 12 13 14 15 16 17 bfplem2 φ w X z X F z = z
19 8 18 exlimddv φ z X F z = z
20 oveq12 F x = x F y = y F x D F y = x D y
21 20 adantl φ x X y X F x = x F y = y F x D F y = x D y
22 6 adantr φ x X y X F x = x F y = y F x D F y K x D y
23 21 22 eqbrtrrd φ x X y X F x = x F y = y x D y K x D y
24 cmetmet D CMet X D Met X
25 1 24 syl φ D Met X
26 25 ad2antrr φ x X y X F x = x F y = y D Met X
27 simplrl φ x X y X F x = x F y = y x X
28 simplrr φ x X y X F x = x F y = y y X
29 metcl D Met X x X y X x D y
30 26 27 28 29 syl3anc φ x X y X F x = x F y = y x D y
31 3 rpred φ K
32 31 ad2antrr φ x X y X F x = x F y = y K
33 32 30 remulcld φ x X y X F x = x F y = y K x D y
34 30 33 suble0d φ x X y X F x = x F y = y x D y K x D y 0 x D y K x D y
35 23 34 mpbird φ x X y X F x = x F y = y x D y K x D y 0
36 1cnd φ x X y X F x = x F y = y 1
37 32 recnd φ x X y X F x = x F y = y K
38 30 recnd φ x X y X F x = x F y = y x D y
39 36 37 38 subdird φ x X y X F x = x F y = y 1 K x D y = 1 x D y K x D y
40 38 mulid2d φ x X y X F x = x F y = y 1 x D y = x D y
41 40 oveq1d φ x X y X F x = x F y = y 1 x D y K x D y = x D y K x D y
42 39 41 eqtrd φ x X y X F x = x F y = y 1 K x D y = x D y K x D y
43 1re 1
44 resubcl 1 K 1 K
45 43 31 44 sylancr φ 1 K
46 45 ad2antrr φ x X y X F x = x F y = y 1 K
47 46 recnd φ x X y X F x = x F y = y 1 K
48 47 mul01d φ x X y X F x = x F y = y 1 K 0 = 0
49 35 42 48 3brtr4d φ x X y X F x = x F y = y 1 K x D y 1 K 0
50 0red φ x X y X F x = x F y = y 0
51 posdif K 1 K < 1 0 < 1 K
52 31 43 51 sylancl φ K < 1 0 < 1 K
53 4 52 mpbid φ 0 < 1 K
54 53 ad2antrr φ x X y X F x = x F y = y 0 < 1 K
55 lemul2 x D y 0 1 K 0 < 1 K x D y 0 1 K x D y 1 K 0
56 30 50 46 54 55 syl112anc φ x X y X F x = x F y = y x D y 0 1 K x D y 1 K 0
57 49 56 mpbird φ x X y X F x = x F y = y x D y 0
58 metge0 D Met X x X y X 0 x D y
59 26 27 28 58 syl3anc φ x X y X F x = x F y = y 0 x D y
60 0re 0
61 letri3 x D y 0 x D y = 0 x D y 0 0 x D y
62 30 60 61 sylancl φ x X y X F x = x F y = y x D y = 0 x D y 0 0 x D y
63 57 59 62 mpbir2and φ x X y X F x = x F y = y x D y = 0
64 meteq0 D Met X x X y X x D y = 0 x = y
65 26 27 28 64 syl3anc φ x X y X F x = x F y = y x D y = 0 x = y
66 63 65 mpbid φ x X y X F x = x F y = y x = y
67 66 ex φ x X y X F x = x F y = y x = y
68 67 ralrimivva φ x X y X F x = x F y = y x = y
69 fveq2 x = z F x = F z
70 id x = z x = z
71 69 70 eqeq12d x = z F x = x F z = z
72 71 anbi1d x = z F x = x F y = y F z = z F y = y
73 equequ1 x = z x = y z = y
74 72 73 imbi12d x = z F x = x F y = y x = y F z = z F y = y z = y
75 74 ralbidv x = z y X F x = x F y = y x = y y X F z = z F y = y z = y
76 75 cbvralvw x X y X F x = x F y = y x = y z X y X F z = z F y = y z = y
77 68 76 sylib φ z X y X F z = z F y = y z = y
78 fveq2 z = y F z = F y
79 id z = y z = y
80 78 79 eqeq12d z = y F z = z F y = y
81 80 reu4 ∃! z X F z = z z X F z = z z X y X F z = z F y = y z = y
82 19 77 81 sylanbrc φ ∃! z X F z = z