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Theorem caubnd2

Description: A Cauchy sequence of complex numbers is eventually bounded. (Contributed by Mario Carneiro, 14-Feb-2014)

Ref Expression
Hypothesis cau3.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
Assertion caubnd2 ( ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) → ∃ 𝑦 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 cau3.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
2 1rp 1 ∈ ℝ+
3 breq2 ( 𝑥 = 1 → ( ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ↔ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) )
4 3 anbi2d ( 𝑥 = 1 → ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ↔ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) )
5 4 rexralbidv ( 𝑥 = 1 → ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ↔ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) )
6 5 rspcv ( 1 ∈ ℝ+ → ( ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) )
7 2 6 ax-mp ( ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) )
8 eluzelz ( 𝑗 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑗 ∈ ℤ )
9 8 1 eleq2s ( 𝑗𝑍𝑗 ∈ ℤ )
10 uzid ( 𝑗 ∈ ℤ → 𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) )
11 9 10 syl ( 𝑗𝑍𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) )
12 simpl ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
13 12 ralimi ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
14 fveq2 ( 𝑘 = 𝑗 → ( 𝐹𝑘 ) = ( 𝐹𝑗 ) )
15 14 eleq1d ( 𝑘 = 𝑗 → ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ↔ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) )
16 15 rspcva ( ( 𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ )
17 11 13 16 syl2an ( ( 𝑗𝑍 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) → ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ )
18 abscl ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ → ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ∈ ℝ )
19 17 18 syl ( ( 𝑗𝑍 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) → ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ∈ ℝ )
20 1re 1 ∈ ℝ
21 readdcl ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ ) → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ∈ ℝ )
22 19 20 21 sylancl ( ( 𝑗𝑍 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ∈ ℝ )
23 simpr ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
24 simplr ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ )
25 abs2dif ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) ≤ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) )
26 23 24 25 syl2anc ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) ≤ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) )
27 abscl ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ → ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) ∈ ℝ )
28 23 27 syl ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) ∈ ℝ )
29 24 18 syl ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ∈ ℝ )
30 28 29 resubcld ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∈ ℝ )
31 23 24 subcld ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ∈ ℂ )
32 abscl ( ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ∈ ℂ → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∈ ℝ )
33 31 32 syl ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∈ ℝ )
34 lelttr ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∈ ℝ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ ) → ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) ≤ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) )
35 20 34 mp3an3 ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∈ ℝ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∈ ℝ ) → ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) ≤ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) )
36 30 33 35 syl2anc ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) ≤ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) )
37 26 36 mpand ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 → ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) )
38 ltsubadd2 ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) ∈ ℝ ∧ ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ ) → ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ↔ ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ) )
39 20 38 mp3an3 ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) ∈ ℝ ∧ ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ∈ ℝ ) → ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ↔ ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ) )
40 28 29 39 syl2anc ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) − ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ↔ ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ) )
41 37 40 sylibd ( ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ) → ( ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 → ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ) )
42 41 expimpd ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) → ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ) )
43 42 ralimdv ( ( 𝑗𝑍 ∧ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ) )
44 43 impancom ( ( 𝑗𝑍 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) → ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ) )
45 17 44 mpd ( ( 𝑗𝑍 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) )
46 brralrspcev ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ∈ ℝ ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < ( ( abs ‘ ( 𝐹𝑗 ) ) + 1 ) ) → ∃ 𝑦 ∈ ℝ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 )
47 22 45 46 syl2anc ( ( 𝑗𝑍 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) ) → ∃ 𝑦 ∈ ℝ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 )
48 47 ex ( 𝑗𝑍 → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ∃ 𝑦 ∈ ℝ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 ) )
49 48 reximia ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ∃ 𝑗𝑍𝑦 ∈ ℝ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 )
50 rexcom ( ∃ 𝑗𝑍𝑦 ∈ ℝ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 ↔ ∃ 𝑦 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 )
51 49 50 sylib ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 1 ) → ∃ 𝑦 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 )
52 7 51 syl ( ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) → ∃ 𝑦 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( 𝐹𝑘 ) ) < 𝑦 )