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Theorem liminfreuzlem

Description: Given a function on the reals, its inferior limit is real if and only if two condition holds: 1. there is a real number that is greater than or equal to the function, infinitely often; 2. there is a real number that is smaller than or equal to the function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 2-Jan-2022)

Ref Expression
Hypotheses liminfreuzlem.1 _ j F
liminfreuzlem.2 φ M
liminfreuzlem.3 Z = M
liminfreuzlem.4 φ F : Z
Assertion liminfreuzlem φ lim inf F x k Z j k F j x x j Z x F j

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 liminfreuzlem.1 _ j F
2 liminfreuzlem.2 φ M
3 liminfreuzlem.3 Z = M
4 liminfreuzlem.4 φ F : Z
5 nfv j φ
6 5 1 2 3 4 liminfvaluz4 φ lim inf F = lim sup j Z F j
7 6 eleq1d φ lim inf F lim sup j Z F j
8 3 fvexi Z V
9 8 mptex j Z F j V
10 limsupcl j Z F j V lim sup j Z F j *
11 9 10 ax-mp lim sup j Z F j *
12 11 a1i φ lim sup j Z F j *
13 12 xnegred φ lim sup j Z F j lim sup j Z F j
14 7 13 bitr4d φ lim inf F lim sup j Z F j
15 4 ffvelrnda φ j Z F j
16 15 renegcld φ j Z F j
17 5 2 3 16 limsupreuzmpt φ lim sup j Z F j y k Z j k y F j y j Z F j y
18 renegcl y y
19 18 ad2antlr φ y k Z j k y F j y
20 simpllr φ y k Z j k y
21 4 ad2antrr φ k Z j k F : Z
22 3 uztrn2 k Z j k j Z
23 22 adantll φ k Z j k j Z
24 21 23 ffvelrnd φ k Z j k F j
25 24 adantllr φ y k Z j k F j
26 20 25 leneg2d φ y k Z j k y F j F j y
27 26 rexbidva φ y k Z j k y F j j k F j y
28 27 ralbidva φ y k Z j k y F j k Z j k F j y
29 28 biimpd φ y k Z j k y F j k Z j k F j y
30 29 imp φ y k Z j k y F j k Z j k F j y
31 breq2 x = y F j x F j y
32 31 rexbidv x = y j k F j x j k F j y
33 32 ralbidv x = y k Z j k F j x k Z j k F j y
34 33 rspcev y k Z j k F j y x k Z j k F j x
35 19 30 34 syl2anc φ y k Z j k y F j x k Z j k F j x
36 35 rexlimdva2 φ y k Z j k y F j x k Z j k F j x
37 renegcl x x
38 37 ad2antlr φ x k Z j k F j x x
39 24 adantllr φ x k Z j k F j
40 simpllr φ x k Z j k x
41 39 40 lenegd φ x k Z j k F j x x F j
42 41 rexbidva φ x k Z j k F j x j k x F j
43 42 ralbidva φ x k Z j k F j x k Z j k x F j
44 43 biimpd φ x k Z j k F j x k Z j k x F j
45 44 imp φ x k Z j k F j x k Z j k x F j
46 breq1 y = x y F j x F j
47 46 rexbidv y = x j k y F j j k x F j
48 47 ralbidv y = x k Z j k y F j k Z j k x F j
49 48 rspcev x k Z j k x F j y k Z j k y F j
50 38 45 49 syl2anc φ x k Z j k F j x y k Z j k y F j
51 50 rexlimdva2 φ x k Z j k F j x y k Z j k y F j
52 36 51 impbid φ y k Z j k y F j x k Z j k F j x
53 18 ad2antlr φ y j Z F j y y
54 15 adantlr φ y j Z F j
55 simplr φ y j Z y
56 54 55 leneg3d φ y j Z F j y y F j
57 56 ralbidva φ y j Z F j y j Z y F j
58 57 biimpd φ y j Z F j y j Z y F j
59 58 imp φ y j Z F j y j Z y F j
60 breq1 x = y x F j y F j
61 60 ralbidv x = y j Z x F j j Z y F j
62 61 rspcev y j Z y F j x j Z x F j
63 53 59 62 syl2anc φ y j Z F j y x j Z x F j
64 63 rexlimdva2 φ y j Z F j y x j Z x F j
65 37 ad2antlr φ x j Z x F j x
66 simplr φ x j Z x
67 15 adantlr φ x j Z F j
68 66 67 lenegd φ x j Z x F j F j x
69 68 ralbidva φ x j Z x F j j Z F j x
70 69 biimpd φ x j Z x F j j Z F j x
71 70 imp φ x j Z x F j j Z F j x
72 brralrspcev x j Z F j x y j Z F j y
73 65 71 72 syl2anc φ x j Z x F j y j Z F j y
74 73 rexlimdva2 φ x j Z x F j y j Z F j y
75 64 74 impbid φ y j Z F j y x j Z x F j
76 52 75 anbi12d φ y k Z j k y F j y j Z F j y x k Z j k F j x x j Z x F j
77 17 76 bitrd φ lim sup j Z F j x k Z j k F j x x j Z x F j
78 14 77 bitrd φ lim inf F x k Z j k F j x x j Z x F j