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Theorem reheibor

Description: Heine-Borel theorem for real numbers. A subset of RR is compact iff it is closed and bounded. (Contributed by Jeff Madsen, 2-Sep-2009) (Revised by Mario Carneiro, 22-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses reheibor.2 ⊢ M = abs ∘ − ↾ Y × Y
reheibor.3 ⊢ T = MetOpen ⁡ M
reheibor.4 ⊢ U = topGen ⁡ ran ⁡ .
Assertion reheibor ⊢ Y ⊆ ℝ → T ∈ Comp ↔ Y ∈ Clsd ⁡ U ∧ M ∈ Bnd ⁡ Y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 reheibor.2 ⊢ M = abs ∘ − ↾ Y × Y
2 reheibor.3 ⊢ T = MetOpen ⁡ M
3 reheibor.4 ⊢ U = topGen ⁡ ran ⁡ .
4 df1o2 ⊢ 1 𝑜 = ∅
5 snfi ⊢ ∅ ∈ Fin
6 4 5 eqeltri ⊢ 1 𝑜 ∈ Fin
7 imassrn ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ⊆ ran ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x
8 0ex ⊢ ∅ ∈ V
9 eqid ⊢ abs ∘ − ↾ ℝ 2 = abs ∘ − ↾ ℝ 2
10 eqid ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x = x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x
11 9 10 ismrer1 ⊢ ∅ ∈ V → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ ∅
12 8 11 ax-mp ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ ∅
13 4 fveq2i ⊢ ℝ n ⁡ 1 𝑜 = ℝ n ⁡ ∅
14 13 oveq2i ⊢ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 = abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ ∅
15 12 14 eleqtrri ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜
16 9 rexmet ⊢ abs ∘ − ↾ ℝ 2 ∈ ∞Met ⁡ ℝ
17 eqid ⊢ ℝ 1 𝑜 = ℝ 1 𝑜
18 17 rrnmet ⊢ 1 𝑜 ∈ Fin → ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ Met ⁡ ℝ 1 𝑜
19 metxmet ⊢ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ Met ⁡ ℝ 1 𝑜 → ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ ∞Met ⁡ ℝ 1 𝑜
20 6 18 19 mp2b ⊢ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ ∞Met ⁡ ℝ 1 𝑜
21 isismty ⊢ abs ∘ − ↾ ℝ 2 ∈ ∞Met ⁡ ℝ ∧ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ ∞Met ⁡ ℝ 1 𝑜 → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↔ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ 1 𝑜 ∧ ∀ y ∈ ℝ ∀ z ∈ ℝ y abs ∘ − ↾ ℝ 2 z = x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ⁡ y ℝ n ⁡ 1 𝑜 x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ⁡ z
22 16 20 21 mp2an ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↔ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ 1 𝑜 ∧ ∀ y ∈ ℝ ∀ z ∈ ℝ y abs ∘ − ↾ ℝ 2 z = x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ⁡ y ℝ n ⁡ 1 𝑜 x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ⁡ z
23 15 22 mpbi ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ 1 𝑜 ∧ ∀ y ∈ ℝ ∀ z ∈ ℝ y abs ∘ − ↾ ℝ 2 z = x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ⁡ y ℝ n ⁡ 1 𝑜 x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ⁡ z
24 23 simpli ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ 1 𝑜
25 f1of ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ 1 𝑜 → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x : ℝ ⟶ ℝ 1 𝑜
26 frn ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x : ℝ ⟶ ℝ 1 𝑜 → ran ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ⊆ ℝ 1 𝑜
27 24 25 26 mp2b ⊢ ran ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ⊆ ℝ 1 𝑜
28 7 27 sstri ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ⊆ ℝ 1 𝑜
29 28 a1i ⊢ Y ⊆ ℝ → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ⊆ ℝ 1 𝑜
30 eqid ⊢ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y = ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
31 eqid ⊢ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y = MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
32 eqid ⊢ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 = MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜
33 17 30 31 32 rrnheibor ⊢ 1 𝑜 ∈ Fin ∧ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ⊆ ℝ 1 𝑜 → MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Comp ↔ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Clsd ⁡ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∧ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Bnd ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
34 6 29 33 sylancr ⊢ Y ⊆ ℝ → MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Comp ↔ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Clsd ⁡ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∧ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Bnd ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
35 cnxmet ⊢ abs ∘ − ∈ ∞Met ⁡ ℂ
36 id ⊢ Y ⊆ ℝ → Y ⊆ ℝ
37 ax-resscn ⊢ ℝ ⊆ ℂ
38 36 37 sstrdi ⊢ Y ⊆ ℝ → Y ⊆ ℂ
39 xmetres2 ⊢ abs ∘ − ∈ ∞Met ⁡ ℂ ∧ Y ⊆ ℂ → abs ∘ − ↾ Y × Y ∈ ∞Met ⁡ Y
40 35 38 39 sylancr ⊢ Y ⊆ ℝ → abs ∘ − ↾ Y × Y ∈ ∞Met ⁡ Y
41 1 40 eqeltrid ⊢ Y ⊆ ℝ → M ∈ ∞Met ⁡ Y
42 xmetres2 ⊢ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ ∞Met ⁡ ℝ 1 𝑜 ∧ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ⊆ ℝ 1 𝑜 → ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ ∞Met ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
43 20 29 42 sylancr ⊢ Y ⊆ ℝ → ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ ∞Met ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
44 2 31 ismtyhmeo ⊢ M ∈ ∞Met ⁡ Y ∧ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ ∞Met ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y → M Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ⊆ T Homeo MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
45 41 43 44 syl2anc ⊢ Y ⊆ ℝ → M Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ⊆ T Homeo MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
46 16 a1i ⊢ Y ⊆ ℝ → abs ∘ − ↾ ℝ 2 ∈ ∞Met ⁡ ℝ
47 20 a1i ⊢ Y ⊆ ℝ → ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ ∞Met ⁡ ℝ 1 𝑜
48 15 a1i ⊢ Y ⊆ ℝ → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜
49 eqid ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y = x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
50 eqid ⊢ abs ∘ − ↾ ℝ 2 ↾ Y × Y = abs ∘ − ↾ ℝ 2 ↾ Y × Y
51 49 50 30 ismtyres ⊢ abs ∘ − ↾ ℝ 2 ∈ ∞Met ⁡ ℝ ∧ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ ∞Met ⁡ ℝ 1 𝑜 ∧ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∧ Y ⊆ ℝ → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ↾ Y ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 ↾ Y × Y Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
52 46 47 48 36 51 syl22anc ⊢ Y ⊆ ℝ → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ↾ Y ∈ abs ∘ − ↾ ℝ 2 ↾ Y × Y Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
53 xpss12 ⊢ Y ⊆ ℝ ∧ Y ⊆ ℝ → Y × Y ⊆ ℝ 2
54 53 anidms ⊢ Y ⊆ ℝ → Y × Y ⊆ ℝ 2
55 54 resabs1d ⊢ Y ⊆ ℝ → abs ∘ − ↾ ℝ 2 ↾ Y × Y = abs ∘ − ↾ Y × Y
56 55 1 eqtr4di ⊢ Y ⊆ ℝ → abs ∘ − ↾ ℝ 2 ↾ Y × Y = M
57 56 oveq1d ⊢ Y ⊆ ℝ → abs ∘ − ↾ ℝ 2 ↾ Y × Y Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y = M Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
58 52 57 eleqtrd ⊢ Y ⊆ ℝ → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ↾ Y ∈ M Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
59 45 58 sseldd ⊢ Y ⊆ ℝ → x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ↾ Y ∈ T Homeo MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
60 hmphi ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ↾ Y ∈ T Homeo MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y → T ≃ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
61 59 60 syl ⊢ Y ⊆ ℝ → T ≃ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
62 cmphmph ⊢ T ≃ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y → T ∈ Comp → MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Comp
63 hmphsym ⊢ T ≃ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y → MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ≃ T
64 cmphmph ⊢ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ≃ T → MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Comp → T ∈ Comp
65 63 64 syl ⊢ T ≃ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y → MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Comp → T ∈ Comp
66 62 65 impbid ⊢ T ≃ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y → T ∈ Comp ↔ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Comp
67 61 66 syl ⊢ Y ⊆ ℝ → T ∈ Comp ↔ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Comp
68 eqid ⊢ MetOpen ⁡ abs ∘ − ↾ ℝ 2 = MetOpen ⁡ abs ∘ − ↾ ℝ 2
69 9 68 tgioo ⊢ topGen ⁡ ran ⁡ . = MetOpen ⁡ abs ∘ − ↾ ℝ 2
70 3 69 eqtri ⊢ U = MetOpen ⁡ abs ∘ − ↾ ℝ 2
71 70 32 ismtyhmeo ⊢ abs ∘ − ↾ ℝ 2 ∈ ∞Met ⁡ ℝ ∧ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∈ ∞Met ⁡ ℝ 1 𝑜 → abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ⊆ U Homeo MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜
72 16 20 71 mp2an ⊢ abs ∘ − ↾ ℝ 2 Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ⊆ U Homeo MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜
73 72 15 sselii ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ U Homeo MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜
74 retopon ⊢ topGen ⁡ ran ⁡ . ∈ TopOn ⁡ ℝ
75 3 74 eqeltri ⊢ U ∈ TopOn ⁡ ℝ
76 75 toponunii ⊢ ℝ = ⋃ U
77 76 hmeocld ⊢ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ∈ U Homeo MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∧ Y ⊆ ℝ → Y ∈ Clsd ⁡ U ↔ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Clsd ⁡ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜
78 73 36 77 sylancr ⊢ Y ⊆ ℝ → Y ∈ Clsd ⁡ U ↔ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Clsd ⁡ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜
79 ismtybnd ⊢ M ∈ ∞Met ⁡ Y ∧ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ ∞Met ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∧ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x ↾ Y ∈ M Ismty ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y → M ∈ Bnd ⁡ Y ↔ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Bnd ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
80 41 43 58 79 syl3anc ⊢ Y ⊆ ℝ → M ∈ Bnd ⁡ Y ↔ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Bnd ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
81 78 80 anbi12d ⊢ Y ⊆ ℝ → Y ∈ Clsd ⁡ U ∧ M ∈ Bnd ⁡ Y ↔ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Clsd ⁡ MetOpen ⁡ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ∧ ℝ n ⁡ 1 𝑜 ↾ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y × x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y ∈ Bnd ⁡ x ∈ ℝ ⟼ ∅ × x Y
82 34 67 81 3bitr4d ⊢ Y ⊆ ℝ → T ∈ Comp ↔ Y ∈ Clsd ⁡ U ∧ M ∈ Bnd ⁡ Y