Metamath Proof Explorer


Theorem liminflimsupclim

Description: A sequence of real numbers converges if its inferior limit is real, and it is greater than or equal to the superior limit (in such a case, they are actually equal, see liminflelimsupuz ). (Contributed by Glauco Siliprandi, 2-Jan-2022)

Ref Expression
Hypotheses liminflimsupclim.1 ⊢ φ → M ∈ ℤ
liminflimsupclim.2 ⊢ Z = ℤ ≥ M
liminflimsupclim.3 ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ
liminflimsupclim.4 ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ
liminflimsupclim.5 ⊢ φ → lim sup ⁡ F ≤ lim inf ⁡ F
Assertion liminflimsupclim ⊢ φ → F ∈ dom ⁡ ⇝

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 liminflimsupclim.1 ⊢ φ → M ∈ ℤ
2 liminflimsupclim.2 ⊢ Z = ℤ ≥ M
3 liminflimsupclim.3 ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ
4 liminflimsupclim.4 ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ
5 liminflimsupclim.5 ⊢ φ → lim sup ⁡ F ≤ lim inf ⁡ F
6 climrel ⊢ Rel ⁡ ⇝
7 6 a1i ⊢ φ → Rel ⁡ ⇝
8 2 fvexi ⊢ Z ∈ V
9 8 a1i ⊢ φ → Z ∈ V
10 3 9 fexd ⊢ φ → F ∈ V
11 10 limsupcld ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℝ *
12 4 rexrd ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ *
13 3 frexr ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ *
14 1 2 13 liminflelimsupuz ⊢ φ → lim inf ⁡ F ≤ lim sup ⁡ F
15 11 12 5 14 xrletrid ⊢ φ → lim sup ⁡ F = lim inf ⁡ F
16 15 4 eqeltrd ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℝ
17 16 recnd ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℂ
18 nfcv ⊢ Ⅎ _ k F
19 1 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → M ∈ ℤ
20 3 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → F : Z ⟶ ℝ
21 4 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → lim inf ⁡ F ∈ ℝ
22 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → x ∈ ℝ +
23 18 19 2 20 21 22 liminflt ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j lim inf ⁡ F < F ⁡ k + x
24 21 ad2antrr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → lim inf ⁡ F ∈ ℝ
25 3 ad2antrr ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → F : Z ⟶ ℝ
26 2 uztrn2 ⊢ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → k ∈ Z
27 26 adantll ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → k ∈ Z
28 25 27 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → F ⁡ k ∈ ℝ
29 28 adantllr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → F ⁡ k ∈ ℝ
30 22 ad2antrr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → x ∈ ℝ +
31 rpre ⊢ x ∈ ℝ + → x ∈ ℝ
32 30 31 syl ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → x ∈ ℝ
33 24 29 32 ltsubadd2d ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → lim inf ⁡ F − F ⁡ k < x ↔ lim inf ⁡ F < F ⁡ k + x
34 33 bicomd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → lim inf ⁡ F < F ⁡ k + x ↔ lim inf ⁡ F − F ⁡ k < x
35 28 recnd ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → F ⁡ k ∈ ℂ
36 15 eqcomd ⊢ φ → lim inf ⁡ F = lim sup ⁡ F
37 36 17 eqeltrd ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℂ
38 37 ad2antrr ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → lim inf ⁡ F ∈ ℂ
39 35 38 negsubdi2d ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → − F ⁡ k − lim inf ⁡ F = lim inf ⁡ F − F ⁡ k
40 39 breq1d ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → − F ⁡ k − lim inf ⁡ F < x ↔ lim inf ⁡ F − F ⁡ k < x
41 40 adantllr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → − F ⁡ k − lim inf ⁡ F < x ↔ lim inf ⁡ F − F ⁡ k < x
42 41 bicomd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → lim inf ⁡ F − F ⁡ k < x ↔ − F ⁡ k − lim inf ⁡ F < x
43 29 24 resubcld ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → F ⁡ k − lim inf ⁡ F ∈ ℝ
44 ltnegcon1 ⊢ F ⁡ k − lim inf ⁡ F ∈ ℝ ∧ x ∈ ℝ → − F ⁡ k − lim inf ⁡ F < x ↔ − x < F ⁡ k − lim inf ⁡ F
45 43 32 44 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → − F ⁡ k − lim inf ⁡ F < x ↔ − x < F ⁡ k − lim inf ⁡ F
46 42 45 bitrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → lim inf ⁡ F − F ⁡ k < x ↔ − x < F ⁡ k − lim inf ⁡ F
47 36 oveq2d ⊢ φ → F ⁡ k − lim inf ⁡ F = F ⁡ k − lim sup ⁡ F
48 47 breq2d ⊢ φ → − x < F ⁡ k − lim inf ⁡ F ↔ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F
49 48 ad3antrrr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → − x < F ⁡ k − lim inf ⁡ F ↔ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F
50 34 46 49 3bitrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → lim inf ⁡ F < F ⁡ k + x ↔ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F
51 50 ralbidva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z → ∀ k ∈ ℤ ≥ j lim inf ⁡ F < F ⁡ k + x ↔ ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F
52 51 rexbidva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j lim inf ⁡ F < F ⁡ k + x ↔ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F
53 23 52 mpbid ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F
54 16 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → lim sup ⁡ F ∈ ℝ
55 18 19 2 20 54 22 limsupgt ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − x < lim sup ⁡ F
56 54 ad2antrr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → lim sup ⁡ F ∈ ℝ
57 ltsub23 ⊢ F ⁡ k ∈ ℝ ∧ x ∈ ℝ ∧ lim sup ⁡ F ∈ ℝ → F ⁡ k − x < lim sup ⁡ F ↔ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
58 29 32 56 57 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → F ⁡ k − x < lim sup ⁡ F ↔ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
59 58 ralbidva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z → ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − x < lim sup ⁡ F ↔ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
60 59 rexbidva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − x < lim sup ⁡ F ↔ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
61 55 60 mpbid ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
62 53 61 jca ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
63 2 rexanuz2 ⊢ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x ↔ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
64 62 63 sylibr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
65 simplll ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → φ
66 simpllr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → x ∈ ℝ +
67 26 adantll ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → k ∈ Z
68 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ k ∈ Z ∧ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x → − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
69 3 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ k ∈ Z → F ⁡ k ∈ ℝ
70 16 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ Z → lim sup ⁡ F ∈ ℝ
71 69 70 resubcld ⊢ φ ∧ k ∈ Z → F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∈ ℝ
72 71 adantlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ k ∈ Z → F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∈ ℝ
73 31 ad2antlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ k ∈ Z → x ∈ ℝ
74 abslt ⊢ F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∈ ℝ ∧ x ∈ ℝ → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x ↔ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
75 72 73 74 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ k ∈ Z → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x ↔ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
76 75 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ k ∈ Z ∧ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x ↔ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
77 68 76 mpbird ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ k ∈ Z ∧ − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
78 77 ex ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ k ∈ Z → − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
79 65 66 67 78 syl21anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
80 79 ralimdva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + ∧ j ∈ Z → ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x → ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
81 80 reximdva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j − x < F ⁡ k − lim sup ⁡ F ∧ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
82 64 81 mpd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ + → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
83 82 ralrimiva ⊢ φ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
84 17 83 jca ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
85 ax-resscn ⊢ ℝ ⊆ ℂ
86 85 a1i ⊢ φ → ℝ ⊆ ℂ
87 3 86 fssd ⊢ φ → F : Z ⟶ ℂ
88 18 1 2 87 climuz ⊢ φ → F ⇝ lim sup ⁡ F ↔ lim sup ⁡ F ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − lim sup ⁡ F < x
89 84 88 mpbird ⊢ φ → F ⇝ lim sup ⁡ F
90 releldm ⊢ Rel ⁡ ⇝ ∧ F ⇝ lim sup ⁡ F → F ∈ dom ⁡ ⇝
91 7 89 90 syl2anc ⊢ φ → F ∈ dom ⁡ ⇝