Metamath Proof Explorer


Theorem blcld

Description: A "closed ball" in a metric space is actually closed. (Contributed by Mario Carneiro, 31-Dec-2013) (Revised by Mario Carneiro, 24-Aug-2015)

Ref Expression
Hypotheses mopni.1 ⊢ J = MetOpen ⁡ D
blcld.3 ⊢ S = z ∈ X | P D z ≤ R
Assertion blcld ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → S ∈ Clsd ⁡ J

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 mopni.1 ⊢ J = MetOpen ⁡ D
2 blcld.3 ⊢ S = z ∈ X | P D z ≤ R
3 1 mopnuni ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X → X = ⋃ J
4 3 3ad2ant1 ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → X = ⋃ J
5 4 difeq1d ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → X ∖ S = ⋃ J ∖ S
6 difssd ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → X ∖ S ⊆ X
7 simpl3 ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → R ∈ ℝ *
8 simpl1 ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → D ∈ ∞Met ⁡ X
9 simpl2 ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → P ∈ X
10 eldifi ⊢ y ∈ X ∖ S → y ∈ X
11 10 adantl ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → y ∈ X
12 xmetcl ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ y ∈ X → P D y ∈ ℝ *
13 8 9 11 12 syl3anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → P D y ∈ ℝ *
14 eldif ⊢ y ∈ X ∖ S ↔ y ∈ X ∧ ¬ y ∈ S
15 oveq2 ⊢ z = y → P D z = P D y
16 15 breq1d ⊢ z = y → P D z ≤ R ↔ P D y ≤ R
17 16 2 elrab2 ⊢ y ∈ S ↔ y ∈ X ∧ P D y ≤ R
18 17 simplbi2 ⊢ y ∈ X → P D y ≤ R → y ∈ S
19 18 con3dimp ⊢ y ∈ X ∧ ¬ y ∈ S → ¬ P D y ≤ R
20 14 19 sylbi ⊢ y ∈ X ∖ S → ¬ P D y ≤ R
21 20 adantl ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → ¬ P D y ≤ R
22 xrltnle ⊢ R ∈ ℝ * ∧ P D y ∈ ℝ * → R < P D y ↔ ¬ P D y ≤ R
23 7 13 22 syl2anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → R < P D y ↔ ¬ P D y ≤ R
24 21 23 mpbird ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → R < P D y
25 qbtwnxr ⊢ R ∈ ℝ * ∧ P D y ∈ ℝ * ∧ R < P D y → ∃ x ∈ ℚ R < x ∧ x < P D y
26 7 13 24 25 syl3anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → ∃ x ∈ ℚ R < x ∧ x < P D y
27 qre ⊢ x ∈ ℚ → x ∈ ℝ
28 8 adantr ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → D ∈ ∞Met ⁡ X
29 11 adantr ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → y ∈ X
30 13 adantr ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → P D y ∈ ℝ *
31 rexr ⊢ x ∈ ℝ → x ∈ ℝ *
32 31 ad2antrl ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → x ∈ ℝ *
33 32 xnegcld ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → − x ∈ ℝ *
34 30 33 xaddcld ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → P D y + 𝑒 − x ∈ ℝ *
35 blelrn ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ y ∈ X ∧ P D y + 𝑒 − x ∈ ℝ * → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∈ ran ⁡ ball ⁡ D
36 28 29 34 35 syl3anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∈ ran ⁡ ball ⁡ D
37 simprrr ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → x < P D y
38 xposdif ⊢ x ∈ ℝ * ∧ P D y ∈ ℝ * → x < P D y ↔ 0 < P D y + 𝑒 − x
39 32 30 38 syl2anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → x < P D y ↔ 0 < P D y + 𝑒 − x
40 37 39 mpbid ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → 0 < P D y + 𝑒 − x
41 xblcntr ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ y ∈ X ∧ P D y + 𝑒 − x ∈ ℝ * ∧ 0 < P D y + 𝑒 − x → y ∈ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x
42 28 29 34 40 41 syl112anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → y ∈ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x
43 incom ⊢ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∩ P ball ⁡ D x = P ball ⁡ D x ∩ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x
44 9 adantr ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → P ∈ X
45 xaddcom ⊢ x ∈ ℝ * ∧ P D y + 𝑒 − x ∈ ℝ * → x + 𝑒 P D y + 𝑒 − x = P D y + 𝑒 − x + 𝑒 x
46 32 34 45 syl2anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → x + 𝑒 P D y + 𝑒 − x = P D y + 𝑒 − x + 𝑒 x
47 simprl ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → x ∈ ℝ
48 xnpcan ⊢ P D y ∈ ℝ * ∧ x ∈ ℝ → P D y + 𝑒 − x + 𝑒 x = P D y
49 30 47 48 syl2anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → P D y + 𝑒 − x + 𝑒 x = P D y
50 46 49 eqtrd ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → x + 𝑒 P D y + 𝑒 − x = P D y
51 30 xrleidd ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → P D y ≤ P D y
52 50 51 eqbrtrd ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → x + 𝑒 P D y + 𝑒 − x ≤ P D y
53 bldisj ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ y ∈ X ∧ x ∈ ℝ * ∧ P D y + 𝑒 − x ∈ ℝ * ∧ x + 𝑒 P D y + 𝑒 − x ≤ P D y → P ball ⁡ D x ∩ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x = ∅
54 28 44 29 32 34 52 53 syl33anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → P ball ⁡ D x ∩ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x = ∅
55 43 54 eqtrid ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∩ P ball ⁡ D x = ∅
56 blssm ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ y ∈ X ∧ P D y + 𝑒 − x ∈ ℝ * → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X
57 28 29 34 56 syl3anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X
58 reldisj ⊢ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∩ P ball ⁡ D x = ∅ ↔ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X ∖ P ball ⁡ D x
59 57 58 syl ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∩ P ball ⁡ D x = ∅ ↔ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X ∖ P ball ⁡ D x
60 55 59 mpbid ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X ∖ P ball ⁡ D x
61 7 adantr ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → R ∈ ℝ *
62 simprrl ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → R < x
63 1 2 blsscls2 ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ x ∈ ℝ * ∧ R < x → S ⊆ P ball ⁡ D x
64 28 44 61 32 62 63 syl23anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → S ⊆ P ball ⁡ D x
65 64 sscond ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → X ∖ P ball ⁡ D x ⊆ X ∖ S
66 60 65 sstrd ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X ∖ S
67 eleq2 ⊢ w = y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x → y ∈ w ↔ y ∈ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x
68 sseq1 ⊢ w = y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x → w ⊆ X ∖ S ↔ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X ∖ S
69 67 68 anbi12d ⊢ w = y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x → y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S ↔ y ∈ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∧ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X ∖ S
70 69 rspcev ⊢ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∈ ran ⁡ ball ⁡ D ∧ y ∈ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ∧ y ball ⁡ D P D y + 𝑒 − x ⊆ X ∖ S → ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
71 36 42 66 70 syl12anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ ∧ R < x ∧ x < P D y → ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
72 71 expr ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℝ → R < x ∧ x < P D y → ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
73 27 72 sylan2 ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S ∧ x ∈ ℚ → R < x ∧ x < P D y → ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
74 73 rexlimdva ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → ∃ x ∈ ℚ R < x ∧ x < P D y → ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
75 26 74 mpd ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∖ S → ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
76 75 ralrimiva ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → ∀ y ∈ X ∖ S ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
77 1 elmopn ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X → X ∖ S ∈ J ↔ X ∖ S ⊆ X ∧ ∀ y ∈ X ∖ S ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
78 77 3ad2ant1 ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → X ∖ S ∈ J ↔ X ∖ S ⊆ X ∧ ∀ y ∈ X ∖ S ∃ w ∈ ran ⁡ ball ⁡ D y ∈ w ∧ w ⊆ X ∖ S
79 6 76 78 mpbir2and ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → X ∖ S ∈ J
80 5 79 eqeltrrd ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → ⋃ J ∖ S ∈ J
81 1 mopntop ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X → J ∈ Top
82 81 3ad2ant1 ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → J ∈ Top
83 2 ssrab3 ⊢ S ⊆ X
84 83 4 sseqtrid ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → S ⊆ ⋃ J
85 eqid ⊢ ⋃ J = ⋃ J
86 85 iscld2 ⊢ J ∈ Top ∧ S ⊆ ⋃ J → S ∈ Clsd ⁡ J ↔ ⋃ J ∖ S ∈ J
87 82 84 86 syl2anc ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → S ∈ Clsd ⁡ J ↔ ⋃ J ∖ S ∈ J
88 80 87 mpbird ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ X ∧ P ∈ X ∧ R ∈ ℝ * → S ∈ Clsd ⁡ J