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Theorem metucn

Description: Uniform continuity in metric spaces. Compare the order of the quantifiers with metcn . (Contributed by Thierry Arnoux, 26-Jan-2018) (Revised by Thierry Arnoux, 11-Feb-2018)

Ref Expression
Hypotheses metucn.u ⊢ U = metUnif ⁡ C
metucn.v ⊢ V = metUnif ⁡ D
metucn.x ⊢ φ → X ≠ ∅
metucn.y ⊢ φ → Y ≠ ∅
metucn.c ⊢ φ → C ∈ PsMet ⁡ X
metucn.d ⊢ φ → D ∈ PsMet ⁡ Y
Assertion metucn ⊢ φ → F ∈ U uCn V ↔ F : X ⟶ Y ∧ ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C y < c → F ⁡ x D F ⁡ y < d

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 metucn.u ⊢ U = metUnif ⁡ C
2 metucn.v ⊢ V = metUnif ⁡ D
3 metucn.x ⊢ φ → X ≠ ∅
4 metucn.y ⊢ φ → Y ≠ ∅
5 metucn.c ⊢ φ → C ∈ PsMet ⁡ X
6 metucn.d ⊢ φ → D ∈ PsMet ⁡ Y
7 metuval ⊢ C ∈ PsMet ⁡ X → metUnif ⁡ C = X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a
8 5 7 syl ⊢ φ → metUnif ⁡ C = X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a
9 1 8 eqtrid ⊢ φ → U = X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a
10 metuval ⊢ D ∈ PsMet ⁡ Y → metUnif ⁡ D = Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b
11 6 10 syl ⊢ φ → metUnif ⁡ D = Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b
12 2 11 eqtrid ⊢ φ → V = Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b
13 9 12 oveq12d ⊢ φ → U uCn V = X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a uCn Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b
14 13 eleq2d ⊢ φ → F ∈ U uCn V ↔ F ∈ X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a uCn Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b
15 eqid ⊢ X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a = X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a
16 eqid ⊢ Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b = Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b
17 oveq2 ⊢ a = c → 0 a = 0 c
18 17 imaeq2d ⊢ a = c → C -1 0 a = C -1 0 c
19 18 cbvmptv ⊢ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a = c ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 c
20 19 rneqi ⊢ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a = ran ⁡ c ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 c
21 20 metust ⊢ X ≠ ∅ ∧ C ∈ PsMet ⁡ X → X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∈ UnifOn ⁡ X
22 3 5 21 syl2anc ⊢ φ → X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∈ UnifOn ⁡ X
23 oveq2 ⊢ b = d → 0 b = 0 d
24 23 imaeq2d ⊢ b = d → D -1 0 b = D -1 0 d
25 24 cbvmptv ⊢ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b = d ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 d
26 25 rneqi ⊢ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b = ran ⁡ d ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 d
27 26 metust ⊢ Y ≠ ∅ ∧ D ∈ PsMet ⁡ Y → Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∈ UnifOn ⁡ Y
28 4 6 27 syl2anc ⊢ φ → Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∈ UnifOn ⁡ Y
29 oveq2 ⊢ a = e → 0 a = 0 e
30 29 imaeq2d ⊢ a = e → C -1 0 a = C -1 0 e
31 30 cbvmptv ⊢ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a = e ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 e
32 31 rneqi ⊢ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a = ran ⁡ e ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 e
33 32 metustfbas ⊢ X ≠ ∅ ∧ C ∈ PsMet ⁡ X → ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∈ fBas ⁡ X × X
34 3 5 33 syl2anc ⊢ φ → ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∈ fBas ⁡ X × X
35 oveq2 ⊢ b = f → 0 b = 0 f
36 35 imaeq2d ⊢ b = f → D -1 0 b = D -1 0 f
37 36 cbvmptv ⊢ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b = f ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 f
38 37 rneqi ⊢ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b = ran ⁡ f ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 f
39 38 metustfbas ⊢ Y ≠ ∅ ∧ D ∈ PsMet ⁡ Y → ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∈ fBas ⁡ Y × Y
40 4 6 39 syl2anc ⊢ φ → ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∈ fBas ⁡ Y × Y
41 15 16 22 28 34 40 isucn2 ⊢ φ → F ∈ X × X filGen ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a uCn Y × Y filGen ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ↔ F : X ⟶ Y ∧ ∀ v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y
42 14 41 bitrd ⊢ φ → F ∈ U uCn V ↔ F : X ⟶ Y ∧ ∀ v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y
43 eqid ⊢ D -1 0 d = D -1 0 d
44 oveq2 ⊢ f = d → 0 f = 0 d
45 44 imaeq2d ⊢ f = d → D -1 0 f = D -1 0 d
46 45 rspceeqv ⊢ d ∈ ℝ + ∧ D -1 0 d = D -1 0 d → ∃ f ∈ ℝ + D -1 0 d = D -1 0 f
47 43 46 mpan2 ⊢ d ∈ ℝ + → ∃ f ∈ ℝ + D -1 0 d = D -1 0 f
48 47 adantl ⊢ φ ∧ d ∈ ℝ + → ∃ f ∈ ℝ + D -1 0 d = D -1 0 f
49 38 metustel ⊢ D ∈ PsMet ⁡ Y → D -1 0 d ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ↔ ∃ f ∈ ℝ + D -1 0 d = D -1 0 f
50 6 49 syl ⊢ φ → D -1 0 d ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ↔ ∃ f ∈ ℝ + D -1 0 d = D -1 0 f
51 50 adantr ⊢ φ ∧ d ∈ ℝ + → D -1 0 d ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ↔ ∃ f ∈ ℝ + D -1 0 d = D -1 0 f
52 48 51 mpbird ⊢ φ ∧ d ∈ ℝ + → D -1 0 d ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b
53 26 metustel ⊢ D ∈ PsMet ⁡ Y → v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ↔ ∃ d ∈ ℝ + v = D -1 0 d
54 6 53 syl ⊢ φ → v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ↔ ∃ d ∈ ℝ + v = D -1 0 d
55 simpr ⊢ φ ∧ v = D -1 0 d → v = D -1 0 d
56 55 breqd ⊢ φ ∧ v = D -1 0 d → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
57 56 imbi2d ⊢ φ ∧ v = D -1 0 d → x u y → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ x u y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
58 57 ralbidv ⊢ φ ∧ v = D -1 0 d → ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
59 58 rexralbidv ⊢ φ ∧ v = D -1 0 d → ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
60 52 54 59 ralxfr2d ⊢ φ → ∀ v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ ∀ d ∈ ℝ + ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
61 eqid ⊢ C -1 0 c = C -1 0 c
62 oveq2 ⊢ e = c → 0 e = 0 c
63 62 imaeq2d ⊢ e = c → C -1 0 e = C -1 0 c
64 63 rspceeqv ⊢ c ∈ ℝ + ∧ C -1 0 c = C -1 0 c → ∃ e ∈ ℝ + C -1 0 c = C -1 0 e
65 61 64 mpan2 ⊢ c ∈ ℝ + → ∃ e ∈ ℝ + C -1 0 c = C -1 0 e
66 65 adantl ⊢ φ ∧ c ∈ ℝ + → ∃ e ∈ ℝ + C -1 0 c = C -1 0 e
67 32 metustel ⊢ C ∈ PsMet ⁡ X → C -1 0 c ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ↔ ∃ e ∈ ℝ + C -1 0 c = C -1 0 e
68 5 67 syl ⊢ φ → C -1 0 c ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ↔ ∃ e ∈ ℝ + C -1 0 c = C -1 0 e
69 68 adantr ⊢ φ ∧ c ∈ ℝ + → C -1 0 c ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ↔ ∃ e ∈ ℝ + C -1 0 c = C -1 0 e
70 66 69 mpbird ⊢ φ ∧ c ∈ ℝ + → C -1 0 c ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a
71 20 metustel ⊢ C ∈ PsMet ⁡ X → u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ↔ ∃ c ∈ ℝ + u = C -1 0 c
72 5 71 syl ⊢ φ → u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ↔ ∃ c ∈ ℝ + u = C -1 0 c
73 simpr ⊢ φ ∧ u = C -1 0 c → u = C -1 0 c
74 73 breqd ⊢ φ ∧ u = C -1 0 c → x u y ↔ x C -1 0 c y
75 74 imbi1d ⊢ φ ∧ u = C -1 0 c → x u y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
76 75 2ralbidv ⊢ φ ∧ u = C -1 0 c → ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
77 70 72 76 rexxfr2d ⊢ φ → ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
78 77 ralbidv ⊢ φ → ∀ d ∈ ℝ + ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
79 60 78 bitrd ⊢ φ → ∀ v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
80 79 adantr ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y → ∀ v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
81 5 ad4antr ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → C ∈ PsMet ⁡ X
82 simplr ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → c ∈ ℝ +
83 simprr ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → y ∈ X
84 simprl ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → x ∈ X
85 elbl4 ⊢ C ∈ PsMet ⁡ X ∧ c ∈ ℝ + ∧ y ∈ X ∧ x ∈ X → x ∈ y ball ⁡ C c ↔ x C -1 0 c y
86 rpxr ⊢ c ∈ ℝ + → c ∈ ℝ *
87 elbl3ps ⊢ C ∈ PsMet ⁡ X ∧ c ∈ ℝ * ∧ y ∈ X ∧ x ∈ X → x ∈ y ball ⁡ C c ↔ x C y < c
88 86 87 sylanl2 ⊢ C ∈ PsMet ⁡ X ∧ c ∈ ℝ + ∧ y ∈ X ∧ x ∈ X → x ∈ y ball ⁡ C c ↔ x C y < c
89 85 88 bitr3d ⊢ C ∈ PsMet ⁡ X ∧ c ∈ ℝ + ∧ y ∈ X ∧ x ∈ X → x C -1 0 c y ↔ x C y < c
90 81 82 83 84 89 syl22anc ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → x C -1 0 c y ↔ x C y < c
91 6 ad4antr ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → D ∈ PsMet ⁡ Y
92 simpllr ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → d ∈ ℝ +
93 simp-4r ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → F : X ⟶ Y
94 93 83 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → F ⁡ y ∈ Y
95 93 84 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → F ⁡ x ∈ Y
96 elbl4 ⊢ D ∈ PsMet ⁡ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ F ⁡ y ∈ Y ∧ F ⁡ x ∈ Y → F ⁡ x ∈ F ⁡ y ball ⁡ D d ↔ F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y
97 rpxr ⊢ d ∈ ℝ + → d ∈ ℝ *
98 elbl3ps ⊢ D ∈ PsMet ⁡ Y ∧ d ∈ ℝ * ∧ F ⁡ y ∈ Y ∧ F ⁡ x ∈ Y → F ⁡ x ∈ F ⁡ y ball ⁡ D d ↔ F ⁡ x D F ⁡ y < d
99 97 98 sylanl2 ⊢ D ∈ PsMet ⁡ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ F ⁡ y ∈ Y ∧ F ⁡ x ∈ Y → F ⁡ x ∈ F ⁡ y ball ⁡ D d ↔ F ⁡ x D F ⁡ y < d
100 96 99 bitr3d ⊢ D ∈ PsMet ⁡ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ F ⁡ y ∈ Y ∧ F ⁡ x ∈ Y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ F ⁡ x D F ⁡ y < d
101 91 92 94 95 100 syl22anc ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ F ⁡ x D F ⁡ y < d
102 90 101 imbi12d ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ x C y < c → F ⁡ x D F ⁡ y < d
103 102 2ralbidva ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + ∧ c ∈ ℝ + → ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C y < c → F ⁡ x D F ⁡ y < d
104 103 rexbidva ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y ∧ d ∈ ℝ + → ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C y < c → F ⁡ x D F ⁡ y < d
105 104 ralbidva ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y → ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C -1 0 c y → F ⁡ x D -1 0 d F ⁡ y ↔ ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C y < c → F ⁡ x D F ⁡ y < d
106 80 105 bitrd ⊢ φ ∧ F : X ⟶ Y → ∀ v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C y < c → F ⁡ x D F ⁡ y < d
107 106 pm5.32da ⊢ φ → F : X ⟶ Y ∧ ∀ v ∈ ran ⁡ b ∈ ℝ + ⟼ D -1 0 b ∃ u ∈ ran ⁡ a ∈ ℝ + ⟼ C -1 0 a ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x u y → F ⁡ x v F ⁡ y ↔ F : X ⟶ Y ∧ ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C y < c → F ⁡ x D F ⁡ y < d
108 42 107 bitrd ⊢ φ → F ∈ U uCn V ↔ F : X ⟶ Y ∧ ∀ d ∈ ℝ + ∃ c ∈ ℝ + ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X x C y < c → F ⁡ x D F ⁡ y < d