Metamath Proof Explorer


Theorem liminfpnfuz

Description: The inferior limit of a function is +oo if and only if every real number is the lower bound of the restriction of the function to a set of upper integers. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Apr-2023)

Ref Expression
Hypotheses liminfpnfuz.1 ⊢ Ⅎ _ j F
liminfpnfuz.2 ⊢ φ → M ∈ ℤ
liminfpnfuz.3 ⊢ Z = ℤ ≥ M
liminfpnfuz.4 ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ *
Assertion liminfpnfuz ⊢ φ → lim inf ⁡ F = +∞ ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k x ≤ F ⁡ j

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 liminfpnfuz.1 ⊢ Ⅎ _ j F
2 liminfpnfuz.2 ⊢ φ → M ∈ ℤ
3 liminfpnfuz.3 ⊢ Z = ℤ ≥ M
4 liminfpnfuz.4 ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ *
5 nfv ⊢ Ⅎ l φ
6 nfcv ⊢ Ⅎ _ l F
7 5 6 2 3 4 liminfvaluz3 ⊢ φ → lim inf ⁡ F = − lim sup ⁡ l ∈ Z ⟼ − F ⁡ l
8 nfcv ⊢ Ⅎ _ j l
9 1 8 nffv ⊢ Ⅎ _ j F ⁡ l
10 9 nfxneg ⊢ Ⅎ _ j − F ⁡ l
11 nfcv ⊢ Ⅎ _ l − F ⁡ j
12 fveq2 ⊢ l = j → F ⁡ l = F ⁡ j
13 12 xnegeqd ⊢ l = j → − F ⁡ l = − F ⁡ j
14 10 11 13 cbvmpt ⊢ l ∈ Z ⟼ − F ⁡ l = j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j
15 14 fveq2i ⊢ lim sup ⁡ l ∈ Z ⟼ − F ⁡ l = lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j
16 15 xnegeqi ⊢ − lim sup ⁡ l ∈ Z ⟼ − F ⁡ l = − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j
17 7 16 eqtrdi ⊢ φ → lim inf ⁡ F = − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j
18 17 eqeq1d ⊢ φ → lim inf ⁡ F = +∞ ↔ − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = +∞
19 xnegmnf ⊢ − −∞ = +∞
20 19 eqcomi ⊢ +∞ = − −∞
21 20 a1i ⊢ φ → +∞ = − −∞
22 21 eqeq2d ⊢ φ → − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = +∞ ↔ − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = − −∞
23 3 fvexi ⊢ Z ∈ V
24 23 mptex ⊢ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ V
25 24 a1i ⊢ φ → j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ V
26 25 limsupcld ⊢ φ → lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ *
27 mnfxr ⊢ −∞ ∈ ℝ *
28 xneg11 ⊢ lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ * ∧ −∞ ∈ ℝ * → − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = − −∞ ↔ lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = −∞
29 26 27 28 sylancl ⊢ φ → − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = − −∞ ↔ lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = −∞
30 22 29 bitrd ⊢ φ → − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = +∞ ↔ lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = −∞
31 3 uztrn2 ⊢ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → j ∈ Z
32 xnegex ⊢ − F ⁡ j ∈ V
33 fvmpt4 ⊢ j ∈ Z ∧ − F ⁡ j ∈ V → j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ⁡ j = − F ⁡ j
34 31 32 33 sylancl ⊢ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ⁡ j = − F ⁡ j
35 34 breq1d ⊢ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ⁡ j ≤ x ↔ − F ⁡ j ≤ x
36 35 ralbidva ⊢ k ∈ Z → ∀ j ∈ ℤ ≥ k j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ⁡ j ≤ x ↔ ∀ j ∈ ℤ ≥ k − F ⁡ j ≤ x
37 36 rexbiia ⊢ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ⁡ j ≤ x ↔ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k − F ⁡ j ≤ x
38 37 ralbii ⊢ ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ⁡ j ≤ x ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k − F ⁡ j ≤ x
39 38 a1i ⊢ φ → ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ⁡ j ≤ x ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k − F ⁡ j ≤ x
40 nfmpt1 ⊢ Ⅎ _ j j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j
41 4 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ l ∈ Z → F ⁡ l ∈ ℝ *
42 41 xnegcld ⊢ φ ∧ l ∈ Z → − F ⁡ l ∈ ℝ *
43 14 eqcomi ⊢ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = l ∈ Z ⟼ − F ⁡ l
44 42 43 fmptd ⊢ φ → j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j : Z ⟶ ℝ *
45 40 2 3 44 limsupmnfuz ⊢ φ → lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = −∞ ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ⁡ j ≤ x
46 1 3 4 xlimpnfxnegmnf ⊢ φ → ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k x ≤ F ⁡ j ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k − F ⁡ j ≤ x
47 39 45 46 3bitr4d ⊢ φ → lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j = −∞ ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k x ≤ F ⁡ j
48 18 30 47 3bitrd ⊢ φ → lim inf ⁡ F = +∞ ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ k ∈ Z ∀ j ∈ ℤ ≥ k x ≤ F ⁡ j