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Theorem ivthlem3

Description: Lemma for ivth , the intermediate value theorem. Show that ( FC ) cannot be greater than U , and so establish the existence of a root of the function. (Contributed by Mario Carneiro, 30-Apr-2014) (Revised by Mario Carneiro, 17-Jun-2014)

Ref Expression
Hypotheses ivth.1 ⊢ φ → A ∈ ℝ
ivth.2 ⊢ φ → B ∈ ℝ
ivth.3 ⊢ φ → U ∈ ℝ
ivth.4 ⊢ φ → A < B
ivth.5 ⊢ φ → A B ⊆ D
ivth.7 ⊢ φ → F : D ⟶cn ℂ
ivth.8 ⊢ φ ∧ x ∈ A B → F ⁡ x ∈ ℝ
ivth.9 ⊢ φ → F ⁡ A < U ∧ U < F ⁡ B
ivth.10 ⊢ S = x ∈ A B | F ⁡ x ≤ U
ivth.11 ⊢ C = sup S ℝ <
Assertion ivthlem3 ⊢ φ → C ∈ A B ∧ F ⁡ C = U

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ivth.1 ⊢ φ → A ∈ ℝ
2 ivth.2 ⊢ φ → B ∈ ℝ
3 ivth.3 ⊢ φ → U ∈ ℝ
4 ivth.4 ⊢ φ → A < B
5 ivth.5 ⊢ φ → A B ⊆ D
6 ivth.7 ⊢ φ → F : D ⟶cn ℂ
7 ivth.8 ⊢ φ ∧ x ∈ A B → F ⁡ x ∈ ℝ
8 ivth.9 ⊢ φ → F ⁡ A < U ∧ U < F ⁡ B
9 ivth.10 ⊢ S = x ∈ A B | F ⁡ x ≤ U
10 ivth.11 ⊢ C = sup S ℝ <
11 9 ssrab3 ⊢ S ⊆ A B
12 iccssre ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → A B ⊆ ℝ
13 1 2 12 syl2anc ⊢ φ → A B ⊆ ℝ
14 11 13 sstrid ⊢ φ → S ⊆ ℝ
15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ivthlem1 ⊢ φ → A ∈ S ∧ ∀ z ∈ S z ≤ B
16 15 simpld ⊢ φ → A ∈ S
17 16 ne0d ⊢ φ → S ≠ ∅
18 15 simprd ⊢ φ → ∀ z ∈ S z ≤ B
19 brralrspcev ⊢ B ∈ ℝ ∧ ∀ z ∈ S z ≤ B → ∃ x ∈ ℝ ∀ z ∈ S z ≤ x
20 2 18 19 syl2anc ⊢ φ → ∃ x ∈ ℝ ∀ z ∈ S z ≤ x
21 14 17 20 suprcld ⊢ φ → sup S ℝ < ∈ ℝ
22 10 21 eqeltrid ⊢ φ → C ∈ ℝ
23 8 simpld ⊢ φ → F ⁡ A < U
24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ivthlem2 ⊢ φ → ¬ F ⁡ C < U
25 6 adantr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C → F : D ⟶cn ℂ
26 14 17 20 16 suprubd ⊢ φ → A ≤ sup S ℝ <
27 26 10 breqtrrdi ⊢ φ → A ≤ C
28 14 17 20 3jca ⊢ φ → S ⊆ ℝ ∧ S ≠ ∅ ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ z ∈ S z ≤ x
29 suprleub ⊢ S ⊆ ℝ ∧ S ≠ ∅ ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ z ∈ S z ≤ x ∧ B ∈ ℝ → sup S ℝ < ≤ B ↔ ∀ z ∈ S z ≤ B
30 28 2 29 syl2anc ⊢ φ → sup S ℝ < ≤ B ↔ ∀ z ∈ S z ≤ B
31 18 30 mpbird ⊢ φ → sup S ℝ < ≤ B
32 10 31 eqbrtrid ⊢ φ → C ≤ B
33 elicc2 ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → C ∈ A B ↔ C ∈ ℝ ∧ A ≤ C ∧ C ≤ B
34 1 2 33 syl2anc ⊢ φ → C ∈ A B ↔ C ∈ ℝ ∧ A ≤ C ∧ C ≤ B
35 22 27 32 34 mpbir3and ⊢ φ → C ∈ A B
36 5 35 sseldd ⊢ φ → C ∈ D
37 36 adantr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C → C ∈ D
38 fveq2 ⊢ x = C → F ⁡ x = F ⁡ C
39 38 eleq1d ⊢ x = C → F ⁡ x ∈ ℝ ↔ F ⁡ C ∈ ℝ
40 7 ralrimiva ⊢ φ → ∀ x ∈ A B F ⁡ x ∈ ℝ
41 39 40 35 rspcdva ⊢ φ → F ⁡ C ∈ ℝ
42 difrp ⊢ U ∈ ℝ ∧ F ⁡ C ∈ ℝ → U < F ⁡ C ↔ F ⁡ C − U ∈ ℝ +
43 3 41 42 syl2anc ⊢ φ → U < F ⁡ C ↔ F ⁡ C − U ∈ ℝ +
44 43 biimpa ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C → F ⁡ C − U ∈ ℝ +
45 cncfi ⊢ F : D ⟶cn ℂ ∧ C ∈ D ∧ F ⁡ C − U ∈ ℝ + → ∃ z ∈ ℝ + ∀ y ∈ D y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U
46 25 37 44 45 syl3anc ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C → ∃ z ∈ ℝ + ∀ y ∈ D y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U
47 ssralv ⊢ A B ⊆ D → ∀ y ∈ D y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → ∀ y ∈ A B y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U
48 5 47 syl ⊢ φ → ∀ y ∈ D y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → ∀ y ∈ A B y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U
49 48 ad2antrr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → ∀ y ∈ D y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → ∀ y ∈ A B y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U
50 22 ad2antrr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → C ∈ ℝ
51 ltsubrp ⊢ C ∈ ℝ ∧ z ∈ ℝ + → C − z < C
52 50 51 sylancom ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → C − z < C
53 52 10 breqtrdi ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → C − z < sup S ℝ <
54 28 ad2antrr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → S ⊆ ℝ ∧ S ≠ ∅ ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ z ∈ S z ≤ x
55 rpre ⊢ z ∈ ℝ + → z ∈ ℝ
56 55 adantl ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → z ∈ ℝ
57 50 56 resubcld ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → C − z ∈ ℝ
58 suprlub ⊢ S ⊆ ℝ ∧ S ≠ ∅ ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ z ∈ S z ≤ x ∧ C − z ∈ ℝ → C − z < sup S ℝ < ↔ ∃ y ∈ S C − z < y
59 54 57 58 syl2anc ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → C − z < sup S ℝ < ↔ ∃ y ∈ S C − z < y
60 53 59 mpbid ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → ∃ y ∈ S C − z < y
61 11 sseli ⊢ y ∈ S → y ∈ A B
62 61 ad2antrl ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → y ∈ A B
63 simplll ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → φ
64 63 13 syl ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → A B ⊆ ℝ
65 64 62 sseldd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → y ∈ ℝ
66 63 22 syl ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → C ∈ ℝ
67 63 28 syl ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → S ⊆ ℝ ∧ S ≠ ∅ ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ z ∈ S z ≤ x
68 simprl ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → y ∈ S
69 suprub ⊢ S ⊆ ℝ ∧ S ≠ ∅ ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ z ∈ S z ≤ x ∧ y ∈ S → y ≤ sup S ℝ <
70 67 68 69 syl2anc ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → y ≤ sup S ℝ <
71 70 10 breqtrrdi ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → y ≤ C
72 65 66 71 abssuble0d ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → y − C = C − y
73 56 adantr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → z ∈ ℝ
74 simprr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → C − z < y
75 66 73 65 74 ltsub23d ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → C − y < z
76 72 75 eqbrtrd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → y − C < z
77 62 76 68 jca32 ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S ∧ C − z < y → y ∈ A B ∧ y − C < z ∧ y ∈ S
78 77 ex ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → y ∈ S ∧ C − z < y → y ∈ A B ∧ y − C < z ∧ y ∈ S
79 78 reximdv2 ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → ∃ y ∈ S C − z < y → ∃ y ∈ A B y − C < z ∧ y ∈ S
80 60 79 mpd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → ∃ y ∈ A B y − C < z ∧ y ∈ S
81 r19.29 ⊢ ∀ y ∈ A B y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ ∃ y ∈ A B y − C < z ∧ y ∈ S → ∃ y ∈ A B y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ y − C < z ∧ y ∈ S
82 pm3.45 ⊢ y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → y − C < z ∧ y ∈ S → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ y ∈ S
83 82 imp ⊢ y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ y − C < z ∧ y ∈ S → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ y ∈ S
84 fveq2 ⊢ x = y → F ⁡ x = F ⁡ y
85 84 eleq1d ⊢ x = y → F ⁡ x ∈ ℝ ↔ F ⁡ y ∈ ℝ
86 40 ad2antrr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → ∀ x ∈ A B F ⁡ x ∈ ℝ
87 61 ad2antll ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → y ∈ A B
88 85 86 87 rspcdva ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ y ∈ ℝ
89 41 ad2antrr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ C ∈ ℝ
90 3 ad2antrr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → U ∈ ℝ
91 89 90 resubcld ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ C − U ∈ ℝ
92 88 89 91 absdifltd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ↔ F ⁡ C − F ⁡ C − U < F ⁡ y ∧ F ⁡ y < F ⁡ C + F ⁡ C - U
93 89 recnd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ C ∈ ℂ
94 90 recnd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → U ∈ ℂ
95 93 94 nncand ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ C − F ⁡ C − U = U
96 95 breq1d ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ C − F ⁡ C − U < F ⁡ y ↔ U < F ⁡ y
97 84 breq1d ⊢ x = y → F ⁡ x ≤ U ↔ F ⁡ y ≤ U
98 97 9 elrab2 ⊢ y ∈ S ↔ y ∈ A B ∧ F ⁡ y ≤ U
99 98 simprbi ⊢ y ∈ S → F ⁡ y ≤ U
100 99 ad2antll ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ y ≤ U
101 88 90 100 lensymd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → ¬ U < F ⁡ y
102 101 pm2.21d ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → U < F ⁡ y → ¬ U < F ⁡ C
103 96 102 sylbid ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ C − F ⁡ C − U < F ⁡ y → ¬ U < F ⁡ C
104 103 adantrd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ C − F ⁡ C − U < F ⁡ y ∧ F ⁡ y < F ⁡ C + F ⁡ C - U → ¬ U < F ⁡ C
105 92 104 sylbid ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ S → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → ¬ U < F ⁡ C
106 105 expr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → y ∈ S → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → ¬ U < F ⁡ C
107 106 impcomd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ y ∈ S → ¬ U < F ⁡ C
108 107 adantr ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ A B → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ y ∈ S → ¬ U < F ⁡ C
109 83 108 syl5 ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + ∧ y ∈ A B → y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ y − C < z ∧ y ∈ S → ¬ U < F ⁡ C
110 109 rexlimdva ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → ∃ y ∈ A B y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ y − C < z ∧ y ∈ S → ¬ U < F ⁡ C
111 81 110 syl5 ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → ∀ y ∈ A B y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U ∧ ∃ y ∈ A B y − C < z ∧ y ∈ S → ¬ U < F ⁡ C
112 80 111 mpan2d ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → ∀ y ∈ A B y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → ¬ U < F ⁡ C
113 49 112 syld ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C ∧ z ∈ ℝ + → ∀ y ∈ D y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → ¬ U < F ⁡ C
114 113 rexlimdva ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C → ∃ z ∈ ℝ + ∀ y ∈ D y − C < z → F ⁡ y − F ⁡ C < F ⁡ C − U → ¬ U < F ⁡ C
115 46 114 mpd ⊢ φ ∧ U < F ⁡ C → ¬ U < F ⁡ C
116 115 pm2.01da ⊢ φ → ¬ U < F ⁡ C
117 41 3 lttri3d ⊢ φ → F ⁡ C = U ↔ ¬ F ⁡ C < U ∧ ¬ U < F ⁡ C
118 24 116 117 mpbir2and ⊢ φ → F ⁡ C = U
119 23 118 breqtrrd ⊢ φ → F ⁡ A < F ⁡ C
120 41 ltnrd ⊢ φ → ¬ F ⁡ C < F ⁡ C
121 fveq2 ⊢ C = A → F ⁡ C = F ⁡ A
122 121 breq1d ⊢ C = A → F ⁡ C < F ⁡ C ↔ F ⁡ A < F ⁡ C
123 122 notbid ⊢ C = A → ¬ F ⁡ C < F ⁡ C ↔ ¬ F ⁡ A < F ⁡ C
124 120 123 syl5ibcom ⊢ φ → C = A → ¬ F ⁡ A < F ⁡ C
125 124 necon2ad ⊢ φ → F ⁡ A < F ⁡ C → C ≠ A
126 125 27 jctild ⊢ φ → F ⁡ A < F ⁡ C → A ≤ C ∧ C ≠ A
127 1 22 ltlend ⊢ φ → A < C ↔ A ≤ C ∧ C ≠ A
128 126 127 sylibrd ⊢ φ → F ⁡ A < F ⁡ C → A < C
129 119 128 mpd ⊢ φ → A < C
130 8 simprd ⊢ φ → U < F ⁡ B
131 118 130 eqbrtrd ⊢ φ → F ⁡ C < F ⁡ B
132 fveq2 ⊢ B = C → F ⁡ B = F ⁡ C
133 132 breq2d ⊢ B = C → F ⁡ C < F ⁡ B ↔ F ⁡ C < F ⁡ C
134 133 notbid ⊢ B = C → ¬ F ⁡ C < F ⁡ B ↔ ¬ F ⁡ C < F ⁡ C
135 120 134 syl5ibrcom ⊢ φ → B = C → ¬ F ⁡ C < F ⁡ B
136 135 necon2ad ⊢ φ → F ⁡ C < F ⁡ B → B ≠ C
137 136 32 jctild ⊢ φ → F ⁡ C < F ⁡ B → C ≤ B ∧ B ≠ C
138 22 2 ltlend ⊢ φ → C < B ↔ C ≤ B ∧ B ≠ C
139 137 138 sylibrd ⊢ φ → F ⁡ C < F ⁡ B → C < B
140 131 139 mpd ⊢ φ → C < B
141 1 rexrd ⊢ φ → A ∈ ℝ *
142 2 rexrd ⊢ φ → B ∈ ℝ *
143 elioo2 ⊢ A ∈ ℝ * ∧ B ∈ ℝ * → C ∈ A B ↔ C ∈ ℝ ∧ A < C ∧ C < B
144 141 142 143 syl2anc ⊢ φ → C ∈ A B ↔ C ∈ ℝ ∧ A < C ∧ C < B
145 22 129 140 144 mpbir3and ⊢ φ → C ∈ A B
146 145 118 jca ⊢ φ → C ∈ A B ∧ F ⁡ C = U