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Theorem ivthicc

Description: The interval between any two points of a continuous real function is contained in the range of the function. Equivalently, the range of a continuous real function is convex. (Contributed by Mario Carneiro, 12-Aug-2014)

Ref Expression
Hypotheses ivthicc.1 ⊢ φ → A ∈ ℝ
ivthicc.2 ⊢ φ → B ∈ ℝ
ivthicc.3 ⊢ φ → M ∈ A B
ivthicc.4 ⊢ φ → N ∈ A B
ivthicc.5 ⊢ φ → A B ⊆ D
ivthicc.7 ⊢ φ → F : D ⟶cn ℂ
ivthicc.8 ⊢ φ ∧ x ∈ A B → F ⁡ x ∈ ℝ
Assertion ivthicc ⊢ φ → F ⁡ M F ⁡ N ⊆ ran ⁡ F

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ivthicc.1 ⊢ φ → A ∈ ℝ
2 ivthicc.2 ⊢ φ → B ∈ ℝ
3 ivthicc.3 ⊢ φ → M ∈ A B
4 ivthicc.4 ⊢ φ → N ∈ A B
5 ivthicc.5 ⊢ φ → A B ⊆ D
6 ivthicc.7 ⊢ φ → F : D ⟶cn ℂ
7 ivthicc.8 ⊢ φ ∧ x ∈ A B → F ⁡ x ∈ ℝ
8 simpll ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → φ
9 elicc2 ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → M ∈ A B ↔ M ∈ ℝ ∧ A ≤ M ∧ M ≤ B
10 1 2 9 syl2anc ⊢ φ → M ∈ A B ↔ M ∈ ℝ ∧ A ≤ M ∧ M ≤ B
11 3 10 mpbid ⊢ φ → M ∈ ℝ ∧ A ≤ M ∧ M ≤ B
12 11 simp1d ⊢ φ → M ∈ ℝ
13 12 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → M ∈ ℝ
14 elicc2 ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → N ∈ A B ↔ N ∈ ℝ ∧ A ≤ N ∧ N ≤ B
15 1 2 14 syl2anc ⊢ φ → N ∈ A B ↔ N ∈ ℝ ∧ A ≤ N ∧ N ≤ B
16 4 15 mpbid ⊢ φ → N ∈ ℝ ∧ A ≤ N ∧ N ≤ B
17 16 simp1d ⊢ φ → N ∈ ℝ
18 17 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → N ∈ ℝ
19 fveq2 ⊢ x = M → F ⁡ x = F ⁡ M
20 19 eleq1d ⊢ x = M → F ⁡ x ∈ ℝ ↔ F ⁡ M ∈ ℝ
21 7 ralrimiva ⊢ φ → ∀ x ∈ A B F ⁡ x ∈ ℝ
22 20 21 3 rspcdva ⊢ φ → F ⁡ M ∈ ℝ
23 fveq2 ⊢ x = N → F ⁡ x = F ⁡ N
24 23 eleq1d ⊢ x = N → F ⁡ x ∈ ℝ ↔ F ⁡ N ∈ ℝ
25 24 21 4 rspcdva ⊢ φ → F ⁡ N ∈ ℝ
26 iccssre ⊢ F ⁡ M ∈ ℝ ∧ F ⁡ N ∈ ℝ → F ⁡ M F ⁡ N ⊆ ℝ
27 22 25 26 syl2anc ⊢ φ → F ⁡ M F ⁡ N ⊆ ℝ
28 27 sselda ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N → y ∈ ℝ
29 28 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → y ∈ ℝ
30 simpr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → M < N
31 11 simp2d ⊢ φ → A ≤ M
32 16 simp3d ⊢ φ → N ≤ B
33 iccss ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ A ≤ M ∧ N ≤ B → M N ⊆ A B
34 1 2 31 32 33 syl22anc ⊢ φ → M N ⊆ A B
35 34 5 sstrd ⊢ φ → M N ⊆ D
36 35 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → M N ⊆ D
37 6 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → F : D ⟶cn ℂ
38 34 sselda ⊢ φ ∧ x ∈ M N → x ∈ A B
39 38 7 syldan ⊢ φ ∧ x ∈ M N → F ⁡ x ∈ ℝ
40 8 39 sylan ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N ∧ x ∈ M N → F ⁡ x ∈ ℝ
41 elicc2 ⊢ F ⁡ M ∈ ℝ ∧ F ⁡ N ∈ ℝ → y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ↔ y ∈ ℝ ∧ F ⁡ M ≤ y ∧ y ≤ F ⁡ N
42 22 25 41 syl2anc ⊢ φ → y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ↔ y ∈ ℝ ∧ F ⁡ M ≤ y ∧ y ≤ F ⁡ N
43 42 biimpa ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N → y ∈ ℝ ∧ F ⁡ M ≤ y ∧ y ≤ F ⁡ N
44 3simpc ⊢ y ∈ ℝ ∧ F ⁡ M ≤ y ∧ y ≤ F ⁡ N → F ⁡ M ≤ y ∧ y ≤ F ⁡ N
45 43 44 syl ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N → F ⁡ M ≤ y ∧ y ≤ F ⁡ N
46 45 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → F ⁡ M ≤ y ∧ y ≤ F ⁡ N
47 13 18 29 30 36 37 40 46 ivthle ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → ∃ z ∈ M N F ⁡ z = y
48 35 sselda ⊢ φ ∧ z ∈ M N → z ∈ D
49 cncff ⊢ F : D ⟶cn ℂ → F : D ⟶ ℂ
50 ffn ⊢ F : D ⟶ ℂ → F Fn D
51 6 49 50 3syl ⊢ φ → F Fn D
52 fnfvelrn ⊢ F Fn D ∧ z ∈ D → F ⁡ z ∈ ran ⁡ F
53 51 52 sylan ⊢ φ ∧ z ∈ D → F ⁡ z ∈ ran ⁡ F
54 eleq1 ⊢ F ⁡ z = y → F ⁡ z ∈ ran ⁡ F ↔ y ∈ ran ⁡ F
55 53 54 syl5ibcom ⊢ φ ∧ z ∈ D → F ⁡ z = y → y ∈ ran ⁡ F
56 48 55 syldan ⊢ φ ∧ z ∈ M N → F ⁡ z = y → y ∈ ran ⁡ F
57 56 rexlimdva ⊢ φ → ∃ z ∈ M N F ⁡ z = y → y ∈ ran ⁡ F
58 8 47 57 sylc ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M < N → y ∈ ran ⁡ F
59 simplr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → y ∈ F ⁡ M F ⁡ N
60 simpr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → M = N
61 60 fveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → F ⁡ M = F ⁡ N
62 61 oveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → F ⁡ M F ⁡ M = F ⁡ M F ⁡ N
63 22 rexrd ⊢ φ → F ⁡ M ∈ ℝ *
64 63 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → F ⁡ M ∈ ℝ *
65 iccid ⊢ F ⁡ M ∈ ℝ * → F ⁡ M F ⁡ M = F ⁡ M
66 64 65 syl ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → F ⁡ M F ⁡ M = F ⁡ M
67 62 66 eqtr3d ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → F ⁡ M F ⁡ N = F ⁡ M
68 59 67 eleqtrd ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → y ∈ F ⁡ M
69 elsni ⊢ y ∈ F ⁡ M → y = F ⁡ M
70 68 69 syl ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → y = F ⁡ M
71 5 3 sseldd ⊢ φ → M ∈ D
72 fnfvelrn ⊢ F Fn D ∧ M ∈ D → F ⁡ M ∈ ran ⁡ F
73 51 71 72 syl2anc ⊢ φ → F ⁡ M ∈ ran ⁡ F
74 73 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → F ⁡ M ∈ ran ⁡ F
75 70 74 eqeltrd ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ M = N → y ∈ ran ⁡ F
76 simpll ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → φ
77 17 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → N ∈ ℝ
78 12 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → M ∈ ℝ
79 28 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → y ∈ ℝ
80 simpr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → N < M
81 16 simp2d ⊢ φ → A ≤ N
82 11 simp3d ⊢ φ → M ≤ B
83 iccss ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ A ≤ N ∧ M ≤ B → N M ⊆ A B
84 1 2 81 82 83 syl22anc ⊢ φ → N M ⊆ A B
85 84 5 sstrd ⊢ φ → N M ⊆ D
86 85 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → N M ⊆ D
87 6 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → F : D ⟶cn ℂ
88 84 sselda ⊢ φ ∧ x ∈ N M → x ∈ A B
89 88 7 syldan ⊢ φ ∧ x ∈ N M → F ⁡ x ∈ ℝ
90 76 89 sylan ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M ∧ x ∈ N M → F ⁡ x ∈ ℝ
91 45 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → F ⁡ M ≤ y ∧ y ≤ F ⁡ N
92 77 78 79 80 86 87 90 91 ivthle2 ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → ∃ z ∈ N M F ⁡ z = y
93 85 sselda ⊢ φ ∧ z ∈ N M → z ∈ D
94 93 55 syldan ⊢ φ ∧ z ∈ N M → F ⁡ z = y → y ∈ ran ⁡ F
95 94 rexlimdva ⊢ φ → ∃ z ∈ N M F ⁡ z = y → y ∈ ran ⁡ F
96 76 92 95 sylc ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N ∧ N < M → y ∈ ran ⁡ F
97 12 17 lttri4d ⊢ φ → M < N ∨ M = N ∨ N < M
98 97 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N → M < N ∨ M = N ∨ N < M
99 58 75 96 98 mpjao3dan ⊢ φ ∧ y ∈ F ⁡ M F ⁡ N → y ∈ ran ⁡ F
100 99 ex ⊢ φ → y ∈ F ⁡ M F ⁡ N → y ∈ ran ⁡ F
101 100 ssrdv ⊢ φ → F ⁡ M F ⁡ N ⊆ ran ⁡ F