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Theorem pmltpc

Description: Any function on the reals is either increasing, decreasing, or has a triple of points in a vee formation. (This theorem was created on demand by Mario Carneiro for the 6PCM conference in Bialystok, 1-Jul-2014.) (Contributed by Mario Carneiro, 1-Jul-2014)

Ref Expression
Assertion pmltpc ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F → ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∨ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x ∨ ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rexanali ⊢ ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ↔ ¬ ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y
2 1 rexbii ⊢ ∃ x ∈ A ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ↔ ∃ x ∈ A ¬ ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y
3 rexnal ⊢ ∃ x ∈ A ¬ ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ↔ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y
4 2 3 bitri ⊢ ∃ x ∈ A ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ↔ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y
5 rexanali ⊢ ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ¬ ∀ w ∈ A z ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ z
6 5 rexbii ⊢ ∃ z ∈ A ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ∃ z ∈ A ¬ ∀ w ∈ A z ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ z
7 rexnal ⊢ ∃ z ∈ A ¬ ∀ w ∈ A z ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ¬ ∀ z ∈ A ∀ w ∈ A z ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ z
8 breq1 ⊢ z = x → z ≤ w ↔ x ≤ w
9 fveq2 ⊢ z = x → F ⁡ z = F ⁡ x
10 9 breq2d ⊢ z = x → F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ F ⁡ w ≤ F ⁡ x
11 8 10 imbi12d ⊢ z = x → z ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ x ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ x
12 breq2 ⊢ w = y → x ≤ w ↔ x ≤ y
13 fveq2 ⊢ w = y → F ⁡ w = F ⁡ y
14 13 breq1d ⊢ w = y → F ⁡ w ≤ F ⁡ x ↔ F ⁡ y ≤ F ⁡ x
15 12 14 imbi12d ⊢ w = y → x ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ x ↔ x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x
16 11 15 cbvral2vw ⊢ ∀ z ∈ A ∀ w ∈ A z ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x
17 7 16 xchbinx ⊢ ∃ z ∈ A ¬ ∀ w ∈ A z ≤ w → F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x
18 6 17 bitri ⊢ ∃ z ∈ A ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x
19 4 18 anbi12i ⊢ ∃ x ∈ A ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ∃ z ∈ A ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x
20 reeanv ⊢ ∃ x ∈ A ∃ z ∈ A ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ∃ x ∈ A ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ∃ z ∈ A ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z
21 ioran ⊢ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∨ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x ↔ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x
22 19 20 21 3bitr4i ⊢ ∃ x ∈ A ∃ z ∈ A ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∨ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x
23 reeanv ⊢ ∃ y ∈ A ∃ w ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z ↔ ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z
24 simplll ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F
25 24 simpld ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ
26 24 simprd ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → A ⊆ dom ⁡ F
27 simpllr ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → x ∈ A ∧ z ∈ A
28 27 simpld ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → x ∈ A
29 simplrl ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → y ∈ A
30 27 simprd ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → z ∈ A
31 simplrr ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → w ∈ A
32 simprll ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → x ≤ y
33 simprrl ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → z ≤ w
34 simprlr ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y
35 simprrr ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z
36 25 26 28 29 30 31 32 33 34 35 pmltpclem2 ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A ∧ x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c
37 36 ex ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A ∧ y ∈ A ∧ w ∈ A → x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c
38 37 rexlimdvva ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A → ∃ y ∈ A ∃ w ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c
39 23 38 biimtrrid ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F ∧ x ∈ A ∧ z ∈ A → ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c
40 39 rexlimdvva ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F → ∃ x ∈ A ∃ z ∈ A ∃ y ∈ A x ≤ y ∧ ¬ F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∧ ∃ w ∈ A z ≤ w ∧ ¬ F ⁡ w ≤ F ⁡ z → ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c
41 22 40 biimtrrid ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F → ¬ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∨ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x → ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c
42 41 orrd ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F → ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∨ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x ∨ ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c
43 df-3or ⊢ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∨ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x ∨ ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c ↔ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∨ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x ∨ ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c
44 42 43 sylibr ⊢ F ∈ ℝ ↑ 𝑝𝑚 ℝ ∧ A ⊆ dom ⁡ F → ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ x ≤ F ⁡ y ∨ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x ≤ y → F ⁡ y ≤ F ⁡ x ∨ ∃ a ∈ A ∃ b ∈ A ∃ c ∈ A a < b ∧ b < c ∧ F ⁡ a < F ⁡ b ∧ F ⁡ c < F ⁡ b ∨ F ⁡ b < F ⁡ a ∧ F ⁡ b < F ⁡ c