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Theorem climuni

Description: An infinite sequence of complex numbers converges to at most one limit. (Contributed by NM, 2-Oct-1999) (Proof shortened by Mario Carneiro, 31-Jan-2014)

Ref Expression
Assertion climuni ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B → A = B

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 1z ⊢ 1 ∈ ℤ
2 nnuz ⊢ ℕ = ℤ ≥ 1
3 1zzd ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → 1 ∈ ℤ
4 climcl ⊢ F ⇝ A → A ∈ ℂ
5 4 3ad2ant1 ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → A ∈ ℂ
6 climcl ⊢ F ⇝ B → B ∈ ℂ
7 6 3ad2ant2 ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → B ∈ ℂ
8 5 7 subcld ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → A − B ∈ ℂ
9 simp3 ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → A ≠ B
10 5 7 9 subne0d ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → A − B ≠ 0
11 8 10 absrpcld ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → A − B ∈ ℝ +
12 11 rphalfcld ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → A − B 2 ∈ ℝ +
13 eqidd ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B ∧ k ∈ ℕ → F ⁡ k = F ⁡ k
14 simp1 ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → F ⇝ A
15 2 3 12 13 14 climi ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → ∃ j ∈ ℕ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2
16 simp2 ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → F ⇝ B
17 2 3 12 13 16 climi ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → ∃ j ∈ ℕ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2
18 2 rexanuz2 ⊢ ∃ j ∈ ℕ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 ↔ ∃ j ∈ ℕ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ ∃ j ∈ ℕ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2
19 15 17 18 sylanbrc ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → ∃ j ∈ ℕ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2
20 nnz ⊢ j ∈ ℕ → j ∈ ℤ
21 uzid ⊢ j ∈ ℤ → j ∈ ℤ ≥ j
22 ne0i ⊢ j ∈ ℤ ≥ j → ℤ ≥ j ≠ ∅
23 r19.2z ⊢ ℤ ≥ j ≠ ∅ ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ∃ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2
24 23 ex ⊢ ℤ ≥ j ≠ ∅ → ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ∃ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2
25 20 21 22 24 4syl ⊢ j ∈ ℕ → ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ∃ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2
26 simpr ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → F ⁡ k ∈ ℂ
27 simpll ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → A ∈ ℂ
28 26 27 abssubd ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → F ⁡ k − A = A − F ⁡ k
29 28 breq1d ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → F ⁡ k − A < A − B 2 ↔ A − F ⁡ k < A − B 2
30 simplr ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → B ∈ ℂ
31 subcl ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ → A − B ∈ ℂ
32 31 adantr ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → A − B ∈ ℂ
33 32 abscld ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → A − B ∈ ℝ
34 abs3lem ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ A − B ∈ ℝ → A − F ⁡ k < A − B 2 ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → A − B < A − B
35 27 30 26 33 34 syl22anc ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → A − F ⁡ k < A − B 2 ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → A − B < A − B
36 33 ltnrd ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → ¬ A − B < A − B
37 36 pm2.21d ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → A − B < A − B → ¬ 1 ∈ ℤ
38 35 37 syld ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → A − F ⁡ k < A − B 2 ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
39 38 expd ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → A − F ⁡ k < A − B 2 → F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
40 29 39 sylbid ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ → F ⁡ k − A < A − B 2 → F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
41 40 impr ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 → F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
42 41 adantld ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 → F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
43 42 expimpd ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ → F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
44 43 rexlimdvw ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ → ∃ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
45 25 44 sylan9r ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ ∧ j ∈ ℕ → ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
46 45 rexlimdva ⊢ A ∈ ℂ ∧ B ∈ ℂ → ∃ j ∈ ℕ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
47 5 7 46 syl2anc ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → ∃ j ∈ ℕ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − A < A − B 2 ∧ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − B < A − B 2 → ¬ 1 ∈ ℤ
48 19 47 mpd ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B ∧ A ≠ B → ¬ 1 ∈ ℤ
49 48 3expia ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B → A ≠ B → ¬ 1 ∈ ℤ
50 49 necon4ad ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B → 1 ∈ ℤ → A = B
51 1 50 mpi ⊢ F ⇝ A ∧ F ⇝ B → A = B