Metamath Proof Explorer


Theorem liminfltlem

Description: Given a sequence of real numbers, there exists an upper part of the sequence that's approximated from above by the inferior limit. (Contributed by Glauco Siliprandi, 2-Jan-2022)

Ref Expression
Hypotheses liminfltlem.m ⊢ φ → M ∈ ℤ
liminfltlem.z ⊢ Z = ℤ ≥ M
liminfltlem.f ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ
liminfltlem.r ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ
liminfltlem.x ⊢ φ → X ∈ ℝ +
Assertion liminfltlem ⊢ φ → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j lim inf ⁡ F < F ⁡ k + X

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 liminfltlem.m ⊢ φ → M ∈ ℤ
2 liminfltlem.z ⊢ Z = ℤ ≥ M
3 liminfltlem.f ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ
4 liminfltlem.r ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ
5 liminfltlem.x ⊢ φ → X ∈ ℝ +
6 nfmpt1 ⊢ Ⅎ _ k k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k
7 3 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ k ∈ Z → F ⁡ k ∈ ℝ
8 7 renegcld ⊢ φ ∧ k ∈ Z → − F ⁡ k ∈ ℝ
9 8 fmpttd ⊢ φ → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k : Z ⟶ ℝ
10 2 fvexi ⊢ Z ∈ V
11 10 mptex ⊢ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ∈ V
12 11 limsupcli ⊢ lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ∈ ℝ *
13 12 a1i ⊢ φ → lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ∈ ℝ *
14 nfv ⊢ Ⅎ k φ
15 nfcv ⊢ Ⅎ _ k F
16 14 15 1 2 3 liminfvaluz4 ⊢ φ → lim inf ⁡ F = − lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k
17 16 4 eqeltrrd ⊢ φ → − lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ∈ ℝ
18 13 17 xnegrecl2d ⊢ φ → lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ∈ ℝ
19 6 1 2 9 18 5 limsupgt ⊢ φ → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k − X < lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k
20 simpll ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → φ
21 2 uztrn2 ⊢ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → k ∈ Z
22 21 adantll ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → k ∈ Z
23 negex ⊢ − F ⁡ k ∈ V
24 fvmpt4 ⊢ k ∈ Z ∧ − F ⁡ k ∈ V → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k = − F ⁡ k
25 23 24 mpan2 ⊢ k ∈ Z → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k = − F ⁡ k
26 25 adantl ⊢ φ ∧ k ∈ Z → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k = − F ⁡ k
27 26 oveq1d ⊢ φ ∧ k ∈ Z → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k − X = - F ⁡ k - X
28 7 recnd ⊢ φ ∧ k ∈ Z → F ⁡ k ∈ ℂ
29 5 rpred ⊢ φ → X ∈ ℝ
30 29 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ Z → X ∈ ℝ
31 30 recnd ⊢ φ ∧ k ∈ Z → X ∈ ℂ
32 28 31 negdi2d ⊢ φ ∧ k ∈ Z → − F ⁡ k + X = - F ⁡ k - X
33 27 32 eqtr4d ⊢ φ ∧ k ∈ Z → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k − X = − F ⁡ k + X
34 18 recnd ⊢ φ → lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ∈ ℂ
35 18 rexnegd ⊢ φ → − lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k = − lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k
36 16 35 eqtr2d ⊢ φ → − lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k = lim inf ⁡ F
37 34 36 negcon1ad ⊢ φ → − lim inf ⁡ F = lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k
38 37 eqcomd ⊢ φ → lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k = − lim inf ⁡ F
39 38 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ Z → lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k = − lim inf ⁡ F
40 33 39 breq12d ⊢ φ ∧ k ∈ Z → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k − X < lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ↔ − F ⁡ k + X < − lim inf ⁡ F
41 4 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ Z → lim inf ⁡ F ∈ ℝ
42 7 30 readdcld ⊢ φ ∧ k ∈ Z → F ⁡ k + X ∈ ℝ
43 41 42 ltnegd ⊢ φ ∧ k ∈ Z → lim inf ⁡ F < F ⁡ k + X ↔ − F ⁡ k + X < − lim inf ⁡ F
44 40 43 bitr4d ⊢ φ ∧ k ∈ Z → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k − X < lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ↔ lim inf ⁡ F < F ⁡ k + X
45 20 22 44 syl2anc ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k − X < lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ↔ lim inf ⁡ F < F ⁡ k + X
46 45 ralbidva ⊢ φ ∧ j ∈ Z → ∀ k ∈ ℤ ≥ j k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k − X < lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ↔ ∀ k ∈ ℤ ≥ j lim inf ⁡ F < F ⁡ k + X
47 46 rexbidva ⊢ φ → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ⁡ k − X < lim sup ⁡ k ∈ Z ⟼ − F ⁡ k ↔ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j lim inf ⁡ F < F ⁡ k + X
48 19 47 mpbid ⊢ φ → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j lim inf ⁡ F < F ⁡ k + X