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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 ⊢ Ⅎ _ x F
liminfvalxr.2 ⊢ φ → A ∈ V
liminfvalxr.3 ⊢ φ → F : A ⟶ ℝ *
Assertion liminfvalxr ⊢ φ → lim inf ⁡ F = − lim sup ⁡ x ∈ A ⟼ − F ⁡ x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 liminfvalxr.1 ⊢ Ⅎ _ x F
2 liminfvalxr.2 ⊢ φ → A ∈ V
3 liminfvalxr.3 ⊢ φ → F : A ⟶ ℝ *
4 nftru ⊢ Ⅎ k ⊤
5 inss2 ⊢ F k +∞ ∩ ℝ * ⊆ ℝ *
6 infxrcl ⊢ F k +∞ ∩ ℝ * ⊆ ℝ * → inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ∈ ℝ *
7 5 6 ax-mp ⊢ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ∈ ℝ *
8 7 a1i ⊢ ⊤ ∧ k ∈ ℝ → inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ∈ ℝ *
9 4 8 supminfxrrnmpt ⊢ ⊤ → sup ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * < = − inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
10 9 mptru ⊢ sup ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * < = − inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
11 10 a1i ⊢ φ → sup ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * < = − inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
12 tru ⊢ ⊤
13 inss2 ⊢ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ⊆ ℝ *
14 13 a1i ⊢ ⊤ → y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ⊆ ℝ *
15 14 supminfxr2 ⊢ ⊤ → sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = − inf z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
16 12 15 ax-mp ⊢ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = − inf z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
17 16 a1i ⊢ φ → sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = − inf z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
18 elinel1 ⊢ − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * → − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞
19 nfmpt1 ⊢ Ⅎ _ 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 ∈ ℝ * ∧ − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y ⁡ y = − z
28 18 27 syl3an3 ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y ⁡ y = − z
29 elinel2 ⊢ − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * → − z ∈ ℝ *
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 ∈ ℝ * ∧ 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 ∈ ℝ * ∧ y ∈ A ∩ k +∞ ∧ − F ⁡ y = − z → − z = − F ⁡ y
41 simplr ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ y ∈ A ∩ k +∞ → z ∈ ℝ *
42 3 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ A ∩ k +∞ → F : A ⟶ ℝ *
43 30 adantl ⊢ φ ∧ y ∈ A ∩ k +∞ → y ∈ A
44 42 43 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ y ∈ A ∩ k +∞ → F ⁡ y ∈ ℝ *
45 44 adantlr ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ y ∈ A ∩ k +∞ → F ⁡ y ∈ ℝ *
46 xneg11 ⊢ z ∈ ℝ * ∧ F ⁡ y ∈ ℝ * → − z = − F ⁡ y ↔ z = F ⁡ y
47 41 45 46 syl2anc ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ y ∈ A ∩ k +∞ → − z = − F ⁡ y ↔ z = F ⁡ y
48 47 adantr ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ y ∈ A ∩ k +∞ ∧ − F ⁡ y = − z → − z = − F ⁡ y ↔ z = F ⁡ y
49 40 48 mpbid ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ 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 ∈ ℝ * ∧ y ∈ A ∩ k +∞ ∧ − F ⁡ y = − z → F ⁡ y ∈ F k +∞
63 49 62 eqeltrd ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ y ∈ A ∩ k +∞ ∧ − F ⁡ y = − z → z ∈ F k +∞
64 38 63 syldan ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ y ∈ A ∩ k +∞ ∧ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y ⁡ y = − z → z ∈ F k +∞
65 64 rexlimdva2 ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y ⁡ y = − z → z ∈ F k +∞
66 65 3adant3 ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ − z ∈ ℝ * → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y ⁡ y = − z → z ∈ F k +∞
67 29 66 syl3an3 ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y ⁡ y = − z → z ∈ F k +∞
68 28 67 mpd ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ * ∧ − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * → z ∈ F k +∞
69 68 rabssdv ⊢ φ → z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ⊆ F k +∞
70 ssrab2 ⊢ z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ⊆ ℝ *
71 70 a1i ⊢ φ → z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ⊆ ℝ *
72 69 71 ssind ⊢ φ → z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ⊆ F k +∞ ∩ ℝ *
73 5 a1i ⊢ φ → F k +∞ ∩ ℝ * ⊆ ℝ *
74 3 ffnd ⊢ φ → F Fn A
75 74 adantr ⊢ φ ∧ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → F Fn A
76 elinel1 ⊢ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → z ∈ F k +∞
77 76 adantl ⊢ φ ∧ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → 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 +∞ ∩ ℝ * → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ F ⁡ y = z
80 elinel2 ⊢ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → z ∈ ℝ *
81 eqcom ⊢ F ⁡ y = z ↔ z = F ⁡ y
82 81 bilani ⊢ z ∈ ℝ * ∧ F ⁡ y = z → z = F ⁡ y
83 82 xnegeqd ⊢ z ∈ ℝ * ∧ F ⁡ y = z → − z = − F ⁡ y
84 83 ex ⊢ z ∈ ℝ * → F ⁡ y = z → − z = − F ⁡ y
85 84 reximdv ⊢ z ∈ ℝ * → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ F ⁡ y = z → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ − z = − F ⁡ y
86 80 85 syl ⊢ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ F ⁡ y = z → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ − z = − F ⁡ y
87 86 adantl ⊢ φ ∧ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ F ⁡ y = z → ∃ y ∈ A ∩ k +∞ − z = − F ⁡ y
88 79 87 mpd ⊢ φ ∧ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → ∃ 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 +∞ ∩ ℝ * → − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞
93 73 sselda ⊢ φ ∧ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → z ∈ ℝ *
94 93 xnegcld ⊢ φ ∧ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → − z ∈ ℝ *
95 92 94 elind ⊢ φ ∧ z ∈ F k +∞ ∩ ℝ * → − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ *
96 73 95 ssrabdv ⊢ φ → F k +∞ ∩ ℝ * ⊆ z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ *
97 72 96 eqssd ⊢ φ → z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * = F k +∞ ∩ ℝ *
98 97 infeq1d ⊢ φ → inf z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
99 98 xnegeqd ⊢ φ → − inf z ∈ ℝ * | − z ∈ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
100 17 99 eqtr2d ⊢ φ → − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
101 100 mpteq2dv ⊢ φ → k ∈ ℝ ⟼ − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
102 101 rneqd ⊢ φ → ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
103 102 infeq1d ⊢ φ → inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * < = inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
104 103 xnegeqd ⊢ φ → − inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ − inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * < = − inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
105 11 104 eqtrd ⊢ φ → sup ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * < = − inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
106 3 2 fexd ⊢ φ → F ∈ V
107 eqid ⊢ k ∈ ℝ ⟼ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = k ∈ ℝ ⟼ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
108 107 liminfval ⊢ F ∈ V → lim inf ⁡ F = sup ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
109 106 108 syl ⊢ φ → lim inf ⁡ F = sup ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ inf F k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
110 2 mptexd ⊢ φ → y ∈ A ⟼ − F ⁡ y ∈ V
111 eqid ⊢ k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < = k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * <
112 111 limsupval ⊢ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y ∈ V → lim sup ⁡ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y = inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
113 110 112 syl ⊢ φ → lim sup ⁡ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y = inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
114 113 xnegeqd ⊢ φ → − lim sup ⁡ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y = − inf ran ⁡ k ∈ ℝ ⟼ sup y ∈ A ⟼ − F ⁡ y k +∞ ∩ ℝ * ℝ * < ℝ * <
115 105 109 114 3eqtr4d ⊢ φ → lim inf ⁡ F = − lim sup ⁡ y ∈ A ⟼ − F ⁡ y
116 nfcv ⊢ Ⅎ _ x y
117 1 116 nffv ⊢ Ⅎ _ x F ⁡ y
118 117 nfxneg ⊢ Ⅎ _ x − F ⁡ y
119 nfcv ⊢ Ⅎ _ 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