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Theorem xlimpnfv

Description: A function converges to plus infinity if it eventually becomes (and stays) larger than any given real number. (Contributed by Glauco Siliprandi, 5-Feb-2022)

Ref Expression
Hypotheses xlimpnfv.m ⊢ φ → M ∈ ℤ
xlimpnfv.z ⊢ Z = ℤ ≥ M
xlimpnfv.f ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ *
Assertion xlimpnfv ⊢ φ → F ⇝* +∞ ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 xlimpnfv.m ⊢ φ → M ∈ ℤ
2 xlimpnfv.z ⊢ Z = ℤ ≥ M
3 xlimpnfv.f ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ *
4 1 ad2antrr ⊢ φ ∧ F ⇝* +∞ ∧ x ∈ ℝ → M ∈ ℤ
5 3 ad2antrr ⊢ φ ∧ F ⇝* +∞ ∧ x ∈ ℝ → F : Z ⟶ ℝ *
6 simplr ⊢ φ ∧ F ⇝* +∞ ∧ x ∈ ℝ → F ⇝* +∞
7 simpr ⊢ φ ∧ F ⇝* +∞ ∧ x ∈ ℝ → x ∈ ℝ
8 4 2 5 6 7 xlimpnfvlem1 ⊢ φ ∧ F ⇝* +∞ ∧ x ∈ ℝ → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
9 8 ralrimiva ⊢ φ ∧ F ⇝* +∞ → ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
10 nfv ⊢ Ⅎ k φ
11 nfcv ⊢ Ⅎ _ k ℝ
12 nfcv ⊢ Ⅎ _ k Z
13 nfra1 ⊢ Ⅎ k ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
14 12 13 nfrexw ⊢ Ⅎ k ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
15 11 14 nfralw ⊢ Ⅎ k ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
16 10 15 nfan ⊢ Ⅎ k φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
17 nfv ⊢ Ⅎ j φ
18 nfcv ⊢ Ⅎ _ j ℝ
19 nfre1 ⊢ Ⅎ j ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
20 18 19 nfralw ⊢ Ⅎ j ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
21 17 20 nfan ⊢ Ⅎ j φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
22 1 adantr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k → M ∈ ℤ
23 3 adantr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k → F : Z ⟶ ℝ *
24 nfv ⊢ Ⅎ j y ∈ ℝ
25 21 24 nfan ⊢ Ⅎ j φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ∧ y ∈ ℝ
26 simp-4r ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j ∧ y + 1 ≤ F ⁡ k → y ∈ ℝ
27 rexr ⊢ y ∈ ℝ → y ∈ ℝ *
28 26 27 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j ∧ y + 1 ≤ F ⁡ k → y ∈ ℝ *
29 peano2re ⊢ y ∈ ℝ → y + 1 ∈ ℝ
30 29 rexrd ⊢ y ∈ ℝ → y + 1 ∈ ℝ *
31 26 30 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j ∧ y + 1 ≤ F ⁡ k → y + 1 ∈ ℝ *
32 3 3ad2ant1 ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → F : Z ⟶ ℝ *
33 2 uztrn2 ⊢ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → k ∈ Z
34 33 3adant1 ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → k ∈ Z
35 32 34 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → F ⁡ k ∈ ℝ *
36 35 ad5ant134 ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j ∧ y + 1 ≤ F ⁡ k → F ⁡ k ∈ ℝ *
37 26 ltp1d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j ∧ y + 1 ≤ F ⁡ k → y < y + 1
38 simpr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j ∧ y + 1 ≤ F ⁡ k → y + 1 ≤ F ⁡ k
39 28 31 36 37 38 xrltletrd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j ∧ y + 1 ≤ F ⁡ k → y < F ⁡ k
40 39 ex ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ k ∈ ℤ ≥ j → y + 1 ≤ F ⁡ k → y < F ⁡ k
41 40 ralimdva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z → ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k → ∀ k ∈ ℤ ≥ j y < F ⁡ k
42 41 imp ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k → ∀ k ∈ ℤ ≥ j y < F ⁡ k
43 42 adantl3r ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k → ∀ k ∈ ℤ ≥ j y < F ⁡ k
44 43 3impa ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k → ∀ k ∈ ℤ ≥ j y < F ⁡ k
45 29 adantl ⊢ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ∧ y ∈ ℝ → y + 1 ∈ ℝ
46 simpl ⊢ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ∧ y ∈ ℝ → ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k
47 breq1 ⊢ x = y + 1 → x ≤ F ⁡ k ↔ y + 1 ≤ F ⁡ k
48 47 ralbidv ⊢ x = y + 1 → ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ↔ ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k
49 48 rexbidv ⊢ x = y + 1 → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ↔ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k
50 49 rspcva ⊢ y + 1 ∈ ℝ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k
51 45 46 50 syl2anc ⊢ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ∧ y ∈ ℝ → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k
52 51 adantll ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ∧ y ∈ ℝ → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j y + 1 ≤ F ⁡ k
53 25 44 52 reximdd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k ∧ y ∈ ℝ → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j y < F ⁡ k
54 53 ralrimiva ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k → ∀ y ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j y < F ⁡ k
55 16 21 22 2 23 54 xlimpnfvlem2 ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k → F ⇝* +∞
56 9 55 impbida ⊢ φ → F ⇝* +∞ ↔ ∀ x ∈ ℝ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j x ≤ F ⁡ k