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Theorem limsupre3lem

Description: Given a function on the extended reals, its supremum limit is real if and only if two condition holds: 1. there is a real number that is less than or equal to the function, at some point, in any upper part of the reals; 2. there is a real number that is eventually greater than or equal to the function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Oct-2021)

Ref Expression
Hypotheses limsupre3lem.1 _ j F
limsupre3lem.2 φ A
limsupre3lem.3 φ F : A *
Assertion limsupre3lem φ lim sup F x k j A k j x F j x k j A k j F j x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 limsupre3lem.1 _ j F
2 limsupre3lem.2 φ A
3 limsupre3lem.3 φ F : A *
4 1 2 3 limsupre2 φ lim sup F y k j A k j y < F j y k j A k j F j < y
5 simp2 φ y k j A k j y < F j y
6 nfv j φ y
7 simp3l φ y j A k j y < F j k j
8 simp1r φ y j A y < F j y
9 8 rexrd φ y j A y < F j y *
10 3 ffvelrnda φ j A F j *
11 10 adantlr φ y j A F j *
12 11 3adant3 φ y j A y < F j F j *
13 simp3 φ y j A y < F j y < F j
14 9 12 13 xrltled φ y j A y < F j y F j
15 14 3adant3l φ y j A k j y < F j y F j
16 7 15 jca φ y j A k j y < F j k j y F j
17 16 3exp φ y j A k j y < F j k j y F j
18 6 17 reximdai φ y j A k j y < F j j A k j y F j
19 18 ralimdv φ y k j A k j y < F j k j A k j y F j
20 19 3impia φ y k j A k j y < F j k j A k j y F j
21 breq1 x = y x F j y F j
22 21 anbi2d x = y k j x F j k j y F j
23 22 rexbidv x = y j A k j x F j j A k j y F j
24 23 ralbidv x = y k j A k j x F j k j A k j y F j
25 24 rspcev y k j A k j y F j x k j A k j x F j
26 5 20 25 syl2anc φ y k j A k j y < F j x k j A k j x F j
27 26 3exp φ y k j A k j y < F j x k j A k j x F j
28 27 rexlimdv φ y k j A k j y < F j x k j A k j x F j
29 peano2rem x x 1
30 29 ad2antlr φ x k j A k j x F j x 1
31 nfv j φ x
32 simp3l φ x j A k j x F j k j
33 simp1r φ x j A k j x F j x
34 29 rexrd x x 1 *
35 33 34 syl φ x j A k j x F j x 1 *
36 33 rexrd φ x j A k j x F j x *
37 10 adantlr φ x j A F j *
38 37 3adant3 φ x j A k j x F j F j *
39 33 ltm1d φ x j A k j x F j x 1 < x
40 simp3r φ x j A k j x F j x F j
41 35 36 38 39 40 xrltletrd φ x j A k j x F j x 1 < F j
42 32 41 jca φ x j A k j x F j k j x 1 < F j
43 42 3exp φ x j A k j x F j k j x 1 < F j
44 31 43 reximdai φ x j A k j x F j j A k j x 1 < F j
45 44 ralimdv φ x k j A k j x F j k j A k j x 1 < F j
46 45 imp φ x k j A k j x F j k j A k j x 1 < F j
47 breq1 y = x 1 y < F j x 1 < F j
48 47 anbi2d y = x 1 k j y < F j k j x 1 < F j
49 48 rexbidv y = x 1 j A k j y < F j j A k j x 1 < F j
50 49 ralbidv y = x 1 k j A k j y < F j k j A k j x 1 < F j
51 50 rspcev x 1 k j A k j x 1 < F j y k j A k j y < F j
52 30 46 51 syl2anc φ x k j A k j x F j y k j A k j y < F j
53 52 rexlimdva2 φ x k j A k j x F j y k j A k j y < F j
54 28 53 impbid φ y k j A k j y < F j x k j A k j x F j
55 simplr φ y k j A k j F j < y y
56 11 adantr φ y j A F j < y F j *
57 rexr y y *
58 57 ad3antlr φ y j A F j < y y *
59 simpr φ y j A F j < y F j < y
60 56 58 59 xrltled φ y j A F j < y F j y
61 60 ex φ y j A F j < y F j y
62 61 imim2d φ y j A k j F j < y k j F j y
63 62 ralimdva φ y j A k j F j < y j A k j F j y
64 63 reximdv φ y k j A k j F j < y k j A k j F j y
65 64 imp φ y k j A k j F j < y k j A k j F j y
66 breq2 x = y F j x F j y
67 66 imbi2d x = y k j F j x k j F j y
68 67 ralbidv x = y j A k j F j x j A k j F j y
69 68 rexbidv x = y k j A k j F j x k j A k j F j y
70 69 rspcev y k j A k j F j y x k j A k j F j x
71 55 65 70 syl2anc φ y k j A k j F j < y x k j A k j F j x
72 71 rexlimdva2 φ y k j A k j F j < y x k j A k j F j x
73 peano2re x x + 1
74 73 ad2antlr φ x k j A k j F j x x + 1
75 37 adantr φ x j A F j x F j *
76 rexr x x *
77 76 ad3antlr φ x j A F j x x *
78 73 rexrd x x + 1 *
79 78 ad3antlr φ x j A F j x x + 1 *
80 simpr φ x j A F j x F j x
81 ltp1 x x < x + 1
82 81 ad3antlr φ x j A F j x x < x + 1
83 75 77 79 80 82 xrlelttrd φ x j A F j x F j < x + 1
84 83 ex φ x j A F j x F j < x + 1
85 84 imim2d φ x j A k j F j x k j F j < x + 1
86 85 ralimdva φ x j A k j F j x j A k j F j < x + 1
87 86 reximdv φ x k j A k j F j x k j A k j F j < x + 1
88 87 imp φ x k j A k j F j x k j A k j F j < x + 1
89 breq2 y = x + 1 F j < y F j < x + 1
90 89 imbi2d y = x + 1 k j F j < y k j F j < x + 1
91 90 ralbidv y = x + 1 j A k j F j < y j A k j F j < x + 1
92 91 rexbidv y = x + 1 k j A k j F j < y k j A k j F j < x + 1
93 92 rspcev x + 1 k j A k j F j < x + 1 y k j A k j F j < y
94 74 88 93 syl2anc φ x k j A k j F j x y k j A k j F j < y
95 94 rexlimdva2 φ x k j A k j F j x y k j A k j F j < y
96 72 95 impbid φ y k j A k j F j < y x k j A k j F j x
97 54 96 anbi12d φ y k j A k j y < F j y k j A k j F j < y x k j A k j x F j x k j A k j F j x
98 4 97 bitrd φ lim sup F x k j A k j x F j x k j A k j F j x