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Theorem minveclem3

Description: Lemma for minvec . The filter formed by taking elements successively closer to the infimum is Cauchy. (Contributed by Mario Carneiro, 8-May-2014) (Revised by Mario Carneiro, 15-Oct-2015)

Ref Expression
Hypotheses minvec.x ⊢ X = Base U
minvec.m ⊢ - ˙ = - U
minvec.n ⊢ N = norm ⁡ U
minvec.u ⊢ φ → U ∈ CPreHil
minvec.y ⊢ φ → Y ∈ LSubSp ⁡ U
minvec.w ⊢ φ → U ↾ 𝑠 Y ∈ CMetSp
minvec.a ⊢ φ → A ∈ X
minvec.j ⊢ J = TopOpen ⁡ U
minvec.r ⊢ R = ran ⁡ y ∈ Y ⟼ N ⁡ A - ˙ y
minvec.s ⊢ S = inf R ℝ <
minvec.d ⊢ D = dist ⁡ U ↾ X × X
minvec.f ⊢ F = ran ⁡ r ∈ ℝ + ⟼ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + r
Assertion minveclem3 ⊢ φ → Y filGen F ∈ CauFil ⁡ D ↾ Y × Y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 minvec.x ⊢ X = Base U
2 minvec.m ⊢ - ˙ = - U
3 minvec.n ⊢ N = norm ⁡ U
4 minvec.u ⊢ φ → U ∈ CPreHil
5 minvec.y ⊢ φ → Y ∈ LSubSp ⁡ U
6 minvec.w ⊢ φ → U ↾ 𝑠 Y ∈ CMetSp
7 minvec.a ⊢ φ → A ∈ X
8 minvec.j ⊢ J = TopOpen ⁡ U
9 minvec.r ⊢ R = ran ⁡ y ∈ Y ⟼ N ⁡ A - ˙ y
10 minvec.s ⊢ S = inf R ℝ <
11 minvec.d ⊢ D = dist ⁡ U ↾ X × X
12 minvec.f ⊢ F = ran ⁡ r ∈ ℝ + ⟼ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + r
13 simpr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → s ∈ ℝ +
14 2z ⊢ 2 ∈ ℤ
15 rpexpcl ⊢ s ∈ ℝ + ∧ 2 ∈ ℤ → s 2 ∈ ℝ +
16 13 14 15 sylancl ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → s 2 ∈ ℝ +
17 16 rphalfcld ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → s 2 2 ∈ ℝ +
18 4nn ⊢ 4 ∈ ℕ
19 nnrp ⊢ 4 ∈ ℕ → 4 ∈ ℝ +
20 18 19 ax-mp ⊢ 4 ∈ ℝ +
21 rpdivcl ⊢ s 2 2 ∈ ℝ + ∧ 4 ∈ ℝ + → s 2 2 4 ∈ ℝ +
22 17 20 21 sylancl ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → s 2 2 4 ∈ ℝ +
23 5 adantr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → Y ∈ LSubSp ⁡ U
24 rabexg ⊢ Y ∈ LSubSp ⁡ U → y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∈ V
25 23 24 syl ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∈ V
26 eqid ⊢ r ∈ ℝ + ⟼ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + r = r ∈ ℝ + ⟼ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + r
27 oveq2 ⊢ r = s 2 2 4 → S 2 + r = S 2 + s 2 2 4
28 27 breq2d ⊢ r = s 2 2 4 → A D y 2 ≤ S 2 + r ↔ A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
29 28 rabbidv ⊢ r = s 2 2 4 → y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + r = y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
30 26 29 elrnmpt1s ⊢ s 2 2 4 ∈ ℝ + ∧ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∈ V → y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∈ ran ⁡ r ∈ ℝ + ⟼ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + r
31 22 25 30 syl2anc ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∈ ran ⁡ r ∈ ℝ + ⟼ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + r
32 31 12 eleqtrrdi ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∈ F
33 oveq2 ⊢ y = u → A D y = A D u
34 33 oveq1d ⊢ y = u → A D y 2 = A D u 2
35 34 breq1d ⊢ y = u → A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ↔ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
36 35 elrab ⊢ u ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ↔ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
37 oveq2 ⊢ y = v → A D y = A D v
38 37 oveq1d ⊢ y = v → A D y 2 = A D v 2
39 38 breq1d ⊢ y = v → A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ↔ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
40 39 elrab ⊢ v ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ↔ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
41 36 40 anbi12i ⊢ u ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ↔ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
42 simprll ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u ∈ Y
43 simprrl ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → v ∈ Y
44 42 43 ovresd ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D ↾ Y × Y v = u D v
45 cphngp ⊢ U ∈ CPreHil → U ∈ NrmGrp
46 ngpms ⊢ U ∈ NrmGrp → U ∈ MetSp
47 1 11 msmet ⊢ U ∈ MetSp → D ∈ Met ⁡ X
48 4 45 46 47 4syl ⊢ φ → D ∈ Met ⁡ X
49 48 ad2antrr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → D ∈ Met ⁡ X
50 eqid ⊢ LSubSp ⁡ U = LSubSp ⁡ U
51 1 50 lssss ⊢ Y ∈ LSubSp ⁡ U → Y ⊆ X
52 5 51 syl ⊢ φ → Y ⊆ X
53 52 ad2antrr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → Y ⊆ X
54 53 42 sseldd ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u ∈ X
55 53 43 sseldd ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → v ∈ X
56 metcl ⊢ D ∈ Met ⁡ X ∧ u ∈ X ∧ v ∈ X → u D v ∈ ℝ
57 49 54 55 56 syl3anc ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D v ∈ ℝ
58 57 resqcld ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D v 2 ∈ ℝ
59 17 adantr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s 2 2 ∈ ℝ +
60 59 rpred ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s 2 2 ∈ ℝ
61 16 adantr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s 2 ∈ ℝ +
62 61 rpred ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s 2 ∈ ℝ
63 4 ad2antrr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → U ∈ CPreHil
64 5 ad2antrr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → Y ∈ LSubSp ⁡ U
65 6 ad2antrr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → U ↾ 𝑠 Y ∈ CMetSp
66 7 ad2antrr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → A ∈ X
67 22 adantr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s 2 2 4 ∈ ℝ +
68 67 rpred ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s 2 2 4 ∈ ℝ
69 67 rpge0d ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → 0 ≤ s 2 2 4
70 simprlr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
71 simprrr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4
72 1 2 3 63 64 65 66 8 9 10 11 68 69 42 43 70 71 minveclem2 ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D v 2 ≤ 4 ⁢ s 2 2 4
73 59 rpcnd ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s 2 2 ∈ ℂ
74 4cn ⊢ 4 ∈ ℂ
75 74 a1i ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → 4 ∈ ℂ
76 4ne0 ⊢ 4 ≠ 0
77 76 a1i ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → 4 ≠ 0
78 73 75 77 divcan2d ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → 4 ⁢ s 2 2 4 = s 2 2
79 72 78 breqtrd ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D v 2 ≤ s 2 2
80 rphalflt ⊢ s 2 ∈ ℝ + → s 2 2 < s 2
81 61 80 syl ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s 2 2 < s 2
82 58 60 62 79 81 lelttrd ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D v 2 < s 2
83 rpre ⊢ s ∈ ℝ + → s ∈ ℝ
84 83 ad2antlr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → s ∈ ℝ
85 metge0 ⊢ D ∈ Met ⁡ X ∧ u ∈ X ∧ v ∈ X → 0 ≤ u D v
86 49 54 55 85 syl3anc ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → 0 ≤ u D v
87 rpge0 ⊢ s ∈ ℝ + → 0 ≤ s
88 87 ad2antlr ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → 0 ≤ s
89 57 84 86 88 lt2sqd ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D v < s ↔ u D v 2 < s 2
90 82 89 mpbird ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D v < s
91 44 90 eqbrtrd ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ Y ∧ A D u 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ Y ∧ A D v 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D ↾ Y × Y v < s
92 41 91 sylan2b ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + ∧ u ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∧ v ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → u D ↾ Y × Y v < s
93 92 ralrimivva ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → ∀ u ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∀ v ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 u D ↾ Y × Y v < s
94 raleq ⊢ w = y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → ∀ v ∈ w u D ↾ Y × Y v < s ↔ ∀ v ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 u D ↾ Y × Y v < s
95 94 raleqbi1dv ⊢ w = y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 → ∀ u ∈ w ∀ v ∈ w u D ↾ Y × Y v < s ↔ ∀ u ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∀ v ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 u D ↾ Y × Y v < s
96 95 rspcev ⊢ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∈ F ∧ ∀ u ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 ∀ v ∈ y ∈ Y | A D y 2 ≤ S 2 + s 2 2 4 u D ↾ Y × Y v < s → ∃ w ∈ F ∀ u ∈ w ∀ v ∈ w u D ↾ Y × Y v < s
97 32 93 96 syl2anc ⊢ φ ∧ s ∈ ℝ + → ∃ w ∈ F ∀ u ∈ w ∀ v ∈ w u D ↾ Y × Y v < s
98 97 ralrimiva ⊢ φ → ∀ s ∈ ℝ + ∃ w ∈ F ∀ u ∈ w ∀ v ∈ w u D ↾ Y × Y v < s
99 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 minveclem3a ⊢ φ → D ↾ Y × Y ∈ CMet ⁡ Y
100 cmetmet ⊢ D ↾ Y × Y ∈ CMet ⁡ Y → D ↾ Y × Y ∈ Met ⁡ Y
101 metxmet ⊢ D ↾ Y × Y ∈ Met ⁡ Y → D ↾ Y × Y ∈ ∞Met ⁡ Y
102 99 100 101 3syl ⊢ φ → D ↾ Y × Y ∈ ∞Met ⁡ Y
103 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 minveclem3b ⊢ φ → F ∈ fBas ⁡ Y
104 fgcfil ⊢ D ↾ Y × Y ∈ ∞Met ⁡ Y ∧ F ∈ fBas ⁡ Y → Y filGen F ∈ CauFil ⁡ D ↾ Y × Y ↔ ∀ s ∈ ℝ + ∃ w ∈ F ∀ u ∈ w ∀ v ∈ w u D ↾ Y × Y v < s
105 102 103 104 syl2anc ⊢ φ → Y filGen F ∈ CauFil ⁡ D ↾ Y × Y ↔ ∀ s ∈ ℝ + ∃ w ∈ F ∀ u ∈ w ∀ v ∈ w u D ↾ Y × Y v < s
106 98 105 mpbird ⊢ φ → Y filGen F ∈ CauFil ⁡ D ↾ Y × Y