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Theorem limsupre3uzlem

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, infinitely often; 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 limsupre3uzlem.1 _ j F
limsupre3uzlem.2 φ M
limsupre3uzlem.3 Z = M
limsupre3uzlem.4 φ F : Z *
Assertion limsupre3uzlem φ lim sup F x k Z j k x F j x k Z j k F j x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 limsupre3uzlem.1 _ j F
2 limsupre3uzlem.2 φ M
3 limsupre3uzlem.3 Z = M
4 limsupre3uzlem.4 φ F : Z *
5 uzssre M
6 3 5 eqsstri Z
7 6 a1i φ Z
8 1 7 4 limsupre3 φ lim sup F x y j Z y j x F j x y j Z y j F j x
9 breq1 y = k y j k j
10 9 anbi1d y = k y j x F j k j x F j
11 10 rexbidv y = k j Z y j x F j j Z k j x F j
12 11 cbvralvw y j Z y j x F j k j Z k j x F j
13 12 biimpi y j Z y j x F j k j Z k j x F j
14 nfra1 k k j Z k j x F j
15 simpr k j Z k j x F j k Z k Z
16 6 15 sselid k j Z k j x F j k Z k
17 rspa k j Z k j x F j k j Z k j x F j
18 16 17 syldan k j Z k j x F j k Z j Z k j x F j
19 nfv j k Z
20 nfre1 j j k x F j
21 eqid k = k
22 3 eluzelz2 k Z k
23 22 3ad2ant1 k Z j Z k j k
24 3 eluzelz2 j Z j
25 24 3ad2ant2 k Z j Z k j j
26 simp3 k Z j Z k j k j
27 21 23 25 26 eluzd k Z j Z k j j k
28 27 3adant3r k Z j Z k j x F j j k
29 simp3r k Z j Z k j x F j x F j
30 rspe j k x F j j k x F j
31 28 29 30 syl2anc k Z j Z k j x F j j k x F j
32 31 3exp k Z j Z k j x F j j k x F j
33 19 20 32 rexlimd k Z j Z k j x F j j k x F j
34 33 imp k Z j Z k j x F j j k x F j
35 15 18 34 syl2anc k j Z k j x F j k Z j k x F j
36 14 35 ralrimia k j Z k j x F j k Z j k x F j
37 13 36 syl y j Z y j x F j k Z j k x F j
38 37 a1i φ y j Z y j x F j k Z j k x F j
39 iftrue M y if M y y M = y
40 39 adantl φ y M y if M y y M = y
41 2 ad2antrr φ y M y M
42 ceilcl y y
43 42 ad2antlr φ y M y y
44 simpr φ y M y M y
45 3 41 43 44 eluzd φ y M y y Z
46 40 45 eqeltrd φ y M y if M y y M Z
47 iffalse ¬ M y if M y y M = M
48 47 adantl φ ¬ M y if M y y M = M
49 2 3 uzidd2 φ M Z
50 49 adantr φ ¬ M y M Z
51 48 50 eqeltrd φ ¬ M y if M y y M Z
52 51 adantlr φ y ¬ M y if M y y M Z
53 46 52 pm2.61dan φ y if M y y M Z
54 53 adantlr φ k Z j k x F j y if M y y M Z
55 simplr φ k Z j k x F j y k Z j k x F j
56 fveq2 k = if M y y M k = if M y y M
57 56 rexeqdv k = if M y y M j k x F j j if M y y M x F j
58 57 rspcva if M y y M Z k Z j k x F j j if M y y M x F j
59 54 55 58 syl2anc φ k Z j k x F j y j if M y y M x F j
60 nfv j φ
61 19 nfci _ j Z
62 61 20 nfralw j k Z j k x F j
63 60 62 nfan j φ k Z j k x F j
64 nfv j y
65 63 64 nfan j φ k Z j k x F j y
66 nfre1 j j Z y j x F j
67 2 ad2antrr φ y j if M y y M M
68 eluzelz j if M y y M j
69 68 adantl φ y j if M y y M j
70 67 zred φ y j if M y y M M
71 6 53 sselid φ y if M y y M
72 71 adantr φ y j if M y y M if M y y M
73 69 zred φ y j if M y y M j
74 6 49 sselid φ M
75 74 adantr φ y M
76 42 zred y y
77 76 adantl φ y y
78 max1 M y M if M y y M
79 75 77 78 syl2anc φ y M if M y y M
80 79 adantr φ y j if M y y M M if M y y M
81 eluzle j if M y y M if M y y M j
82 81 adantl φ y j if M y y M if M y y M j
83 70 72 73 80 82 letrd φ y j if M y y M M j
84 3 67 69 83 eluzd φ y j if M y y M j Z
85 84 3adant3 φ y j if M y y M x F j j Z
86 simplr φ y j if M y y M y
87 simpr φ y y
88 ceilge y y y
89 88 adantl φ y y y
90 max2 M y y if M y y M
91 75 77 90 syl2anc φ y y if M y y M
92 87 77 71 89 91 letrd φ y y if M y y M
93 92 adantr φ y j if M y y M y if M y y M
94 86 72 73 93 82 letrd φ y j if M y y M y j
95 94 3adant3 φ y j if M y y M x F j y j
96 simp3 φ y j if M y y M x F j x F j
97 95 96 jca φ y j if M y y M x F j y j x F j
98 rspe j Z y j x F j j Z y j x F j
99 85 97 98 syl2anc φ y j if M y y M x F j j Z y j x F j
100 99 3exp φ y j if M y y M x F j j Z y j x F j
101 100 adantlr φ k Z j k x F j y j if M y y M x F j j Z y j x F j
102 65 66 101 rexlimd φ k Z j k x F j y j if M y y M x F j j Z y j x F j
103 59 102 mpd φ k Z j k x F j y j Z y j x F j
104 103 ralrimiva φ k Z j k x F j y j Z y j x F j
105 104 ex φ k Z j k x F j y j Z y j x F j
106 38 105 impbid φ y j Z y j x F j k Z j k x F j
107 106 rexbidv φ x y j Z y j x F j x k Z j k x F j
108 53 adantr φ y j Z y j F j x if M y y M Z
109 60 64 nfan j φ y
110 nfra1 j j Z y j F j x
111 109 110 nfan j φ y j Z y j F j x
112 94 adantlr φ y j Z y j F j x j if M y y M y j
113 simplr φ y j Z y j F j x j if M y y M j Z y j F j x
114 84 adantlr φ y j Z y j F j x j if M y y M j Z
115 rspa j Z y j F j x j Z y j F j x
116 113 114 115 syl2anc φ y j Z y j F j x j if M y y M y j F j x
117 112 116 mpd φ y j Z y j F j x j if M y y M F j x
118 117 ex φ y j Z y j F j x j if M y y M F j x
119 111 118 ralrimi φ y j Z y j F j x j if M y y M F j x
120 56 raleqdv k = if M y y M j k F j x j if M y y M F j x
121 120 rspcev if M y y M Z j if M y y M F j x k Z j k F j x
122 108 119 121 syl2anc φ y j Z y j F j x k Z j k F j x
123 122 rexlimdva2 φ y j Z y j F j x k Z j k F j x
124 6 sseli k Z k
125 124 ad2antlr φ k Z j k F j x k
126 nfra1 j j k F j x
127 19 126 nfan j k Z j k F j x
128 simp1r k Z j k F j x j Z k j j k F j x
129 27 3adant1r k Z j k F j x j Z k j j k
130 rspa j k F j x j k F j x
131 128 129 130 syl2anc k Z j k F j x j Z k j F j x
132 131 3exp k Z j k F j x j Z k j F j x
133 127 132 ralrimi k Z j k F j x j Z k j F j x
134 133 adantll φ k Z j k F j x j Z k j F j x
135 9 rspceaimv k j Z k j F j x y j Z y j F j x
136 125 134 135 syl2anc φ k Z j k F j x y j Z y j F j x
137 136 rexlimdva2 φ k Z j k F j x y j Z y j F j x
138 123 137 impbid φ y j Z y j F j x k Z j k F j x
139 138 rexbidv φ x y j Z y j F j x x k Z j k F j x
140 107 139 anbi12d φ x y j Z y j x F j x y j Z y j F j x x k Z j k x F j x k Z j k F j x
141 8 140 bitrd φ lim sup F x k Z j k x F j x k Z j k F j x