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Theorem liminfvalxr

Description: Alternate definition of liminf when F is an extended real-valued function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 2-Jan-2022)

Ref Expression
Hypotheses liminfvalxr.1 _ x F
liminfvalxr.2 φ A V
liminfvalxr.3 φ F : A *
Assertion liminfvalxr φ lim inf F = lim sup x A F x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 liminfvalxr.1 _ x F
2 liminfvalxr.2 φ A V
3 liminfvalxr.3 φ F : A *
4 nftru k
5 inss2 F k +∞ * *
6 infxrcl F k +∞ * * inf F k +∞ * * < *
7 5 6 ax-mp inf F k +∞ * * < *
8 7 a1i k inf F k +∞ * * < *
9 4 8 supminfxrrnmpt sup ran k inf F k +∞ * * < * < = inf ran k inf F k +∞ * * < * <
10 9 mptru sup ran k inf F k +∞ * * < * < = inf ran k inf F k +∞ * * < * <
11 10 a1i φ sup ran k inf F k +∞ * * < * < = inf ran k inf F k +∞ * * < * <
12 tru
13 inss2 y A F y k +∞ * *
14 13 a1i y A F y k +∞ * *
15 14 supminfxr2 sup y A F y k +∞ * * < = inf z * | z y A F y k +∞ * * <
16 12 15 ax-mp sup y A F y k +∞ * * < = inf z * | z y A F y k +∞ * * <
17 16 a1i φ sup y A F y k +∞ * * < = inf z * | z y A F y k +∞ * * <
18 elinel1 z y A F y k +∞ * z y A F y k +∞
19 nfmpt1 _ y y A F y
20 xnegex F y V
21 eqid y A F y = y A F y
22 20 21 fnmpti y A F y Fn A
23 22 a1i φ y A F y Fn A
24 23 adantr φ z y A F y k +∞ y A F y Fn A
25 simpr φ z y A F y k +∞ z y A F y k +∞
26 19 24 25 fvelimad φ z y A F y k +∞ y A k +∞ y A F y y = z
27 26 3adant2 φ z * z y A F y k +∞ y A k +∞ y A F y y = z
28 18 27 syl3an3 φ z * z y A F y k +∞ * y A k +∞ y A F y y = z
29 elinel2 z y A F y k +∞ * z *
30 elinel1 y A k +∞ y A
31 20 a1i y A k +∞ F y V
32 21 fvmpt2 y A F y V y A F y y = F y
33 30 31 32 syl2anc y A k +∞ y A F y y = F y
34 33 eqcomd y A k +∞ F y = y A F y y
35 34 adantr y A k +∞ y A F y y = z F y = y A F y y
36 simpr y A k +∞ y A F y y = z y A F y y = z
37 35 36 eqtrd y A k +∞ y A F y y = z F y = z
38 37 adantll φ z * y A k +∞ y A F y y = z F y = z
39 eqcom F y = z z = F y
40 39 bilani φ z * y A k +∞ F y = z z = F y
41 simplr φ z * y A k +∞ z *
42 3 adantr φ y A k +∞ F : A *
43 30 adantl φ y A k +∞ y A
44 42 43 ffvelcdmd φ y A k +∞ F y *
45 44 adantlr φ z * y A k +∞ F y *
46 xneg11 z * F y * z = F y z = F y
47 41 45 46 syl2anc φ z * y A k +∞ z = F y z = F y
48 47 adantr φ z * y A k +∞ F y = z z = F y z = F y
49 40 48 mpbid φ z * y A k +∞ F y = z z = F y
50 3 ffund φ Fun F
51 50 30 anim12i φ y A k +∞ Fun F y A
52 51 simpld φ y A k +∞ Fun F
53 3 fdmd φ dom F = A
54 53 eqcomd φ A = dom F
55 54 adantr φ y A k +∞ A = dom F
56 43 55 eleqtrd φ y A k +∞ y dom F
57 52 56 jca φ y A k +∞ Fun F y dom F
58 elinel2 y A k +∞ y k +∞
59 58 adantl φ y A k +∞ y k +∞
60 funfvima Fun F y dom F y k +∞ F y F k +∞
61 57 59 60 sylc φ y A k +∞ F y F k +∞
62 61 ad4ant13 φ z * y A k +∞ F y = z F y F k +∞
63 49 62 eqeltrd φ z * y A k +∞ F y = z z F k +∞
64 38 63 syldan φ z * y A k +∞ y A F y y = z z F k +∞
65 64 rexlimdva2 φ z * y A k +∞ y A F y y = z z F k +∞
66 65 3adant3 φ z * z * y A k +∞ y A F y y = z z F k +∞
67 29 66 syl3an3 φ z * z y A F y k +∞ * y A k +∞ y A F y y = z z F k +∞
68 28 67 mpd φ z * z y A F y k +∞ * z F k +∞
69 68 rabssdv φ z * | z y A F y k +∞ * F k +∞
70 ssrab2 z * | z y A F y k +∞ * *
71 70 a1i φ z * | z y A F y k +∞ * *
72 69 71 ssind φ z * | z y A F y k +∞ * F k +∞ *
73 5 a1i φ F k +∞ * *
74 3 ffnd φ F Fn A
75 74 adantr φ z F k +∞ * F Fn A
76 elinel1 z F k +∞ * z F k +∞
77 76 adantl φ z F k +∞ * z F k +∞
78 fvelima2 F Fn A z F k +∞ y A k +∞ F y = z
79 75 77 78 syl2anc φ z F k +∞ * y A k +∞ F y = z
80 elinel2 z F k +∞ * z *
81 eqcom F y = z z = F y
82 81 bilani z * F y = z z = F y
83 82 xnegeqd z * F y = z z = F y
84 83 ex z * F y = z z = F y
85 84 reximdv z * y A k +∞ F y = z y A k +∞ z = F y
86 80 85 syl z F k +∞ * y A k +∞ F y = z y A k +∞ z = F y
87 86 adantl φ z F k +∞ * y A k +∞ F y = z y A k +∞ z = F y
88 79 87 mpd φ z F k +∞ * y A k +∞ z = F y
89 xnegex z V
90 elmptima z V z y A F y k +∞ y A k +∞ z = F y
91 89 90 ax-mp z y A F y k +∞ y A k +∞ z = F y
92 88 91 sylibr φ z F k +∞ * z y A F y k +∞
93 73 sselda φ z F k +∞ * z *
94 93 xnegcld φ z F k +∞ * z *
95 92 94 elind φ z F k +∞ * z y A F y k +∞ *
96 73 95 ssrabdv φ F k +∞ * z * | z y A F y k +∞ *
97 72 96 eqssd φ z * | z y A F y k +∞ * = F k +∞ *
98 97 infeq1d φ inf z * | z y A F y k +∞ * * < = inf F k +∞ * * <
99 98 xnegeqd φ inf z * | z y A F y k +∞ * * < = inf F k +∞ * * <
100 17 99 eqtr2d φ inf F k +∞ * * < = sup y A F y k +∞ * * <
101 100 mpteq2dv φ k inf F k +∞ * * < = k sup y A F y k +∞ * * <
102 101 rneqd φ ran k inf F k +∞ * * < = ran k sup y A F y k +∞ * * <
103 102 infeq1d φ inf ran k inf F k +∞ * * < * < = inf ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
104 103 xnegeqd φ inf ran k inf F k +∞ * * < * < = inf ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
105 11 104 eqtrd φ sup ran k inf F k +∞ * * < * < = inf ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
106 3 2 fexd φ F V
107 eqid k inf F k +∞ * * < = k inf F k +∞ * * <
108 107 liminfval F V lim inf F = sup ran k inf F k +∞ * * < * <
109 106 108 syl φ lim inf F = sup ran k inf F k +∞ * * < * <
110 2 mptexd φ y A F y V
111 eqid k sup y A F y k +∞ * * < = k sup y A F y k +∞ * * <
112 111 limsupval y A F y V lim sup y A F y = inf ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
113 110 112 syl φ lim sup y A F y = inf ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
114 113 xnegeqd φ lim sup y A F y = inf ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
115 105 109 114 3eqtr4d φ lim inf F = lim sup y A F y
116 nfcv _ x y
117 1 116 nffv _ x F y
118 117 nfxneg _ x F y
119 nfcv _ y F x
120 fveq2 y = x F y = F x
121 120 xnegeqd y = x F y = F x
122 118 119 121 cbvmpt y A F y = x A F x
123 122 fveq2i lim sup y A F y = lim sup x A F x
124 123 xnegeqi lim sup y A F y = lim sup x A F x
125 124 a1i φ lim sup y A F y = lim sup x A F x
126 115 125 eqtrd φ lim inf F = lim sup x A F x