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Theorem caucvg

Description: A Cauchy sequence of complex numbers converges to a complex number. Theorem 12-5.3 of Gleason p. 180 (sufficiency part). (Contributed by NM, 20-Dec-2006) (Proof shortened by Mario Carneiro, 15-Feb-2014) (Revised by Mario Carneiro, 8-May-2016)

Ref Expression
Hypotheses caucvg.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
caucvg.2 ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
caucvg.3 ( 𝜑 → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )
caucvg.4 ( 𝜑𝐹𝑉 )
Assertion caucvg ( 𝜑𝐹 ∈ dom ⇝ )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 caucvg.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
2 caucvg.2 ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
3 caucvg.3 ( 𝜑 → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )
4 caucvg.4 ( 𝜑𝐹𝑉 )
5 fveq2 ( 𝑘 = 𝑛 → ( 𝐹𝑘 ) = ( 𝐹𝑛 ) )
6 5 cbvmptv ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) = ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) )
7 uzssz ( ℤ𝑀 ) ⊆ ℤ
8 1 7 eqsstri 𝑍 ⊆ ℤ
9 zssre ℤ ⊆ ℝ
10 8 9 sstri 𝑍 ⊆ ℝ
11 10 a1i ( 𝜑𝑍 ⊆ ℝ )
12 6 eqcomi ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) = ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) )
13 2 12 fmptd ( 𝜑 → ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) : 𝑍 ⟶ ℂ )
14 1rp 1 ∈ ℝ+
15 14 ne0ii + ≠ ∅
16 r19.2z ( ( ℝ+ ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) → ∃ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )
17 15 3 16 sylancr ( 𝜑 → ∃ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )
18 eluzel2 ( 𝑗 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑀 ∈ ℤ )
19 18 1 eleq2s ( 𝑗𝑍𝑀 ∈ ℤ )
20 19 a1d ( 𝑗𝑍 → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥𝑀 ∈ ℤ ) )
21 20 rexlimiv ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥𝑀 ∈ ℤ )
22 21 rexlimivw ( ∃ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥𝑀 ∈ ℤ )
23 17 22 syl ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
24 1 uzsup ( 𝑀 ∈ ℤ → sup ( 𝑍 , ℝ* , < ) = +∞ )
25 23 24 syl ( 𝜑 → sup ( 𝑍 , ℝ* , < ) = +∞ )
26 8 sseli ( 𝑗𝑍𝑗 ∈ ℤ )
27 8 sseli ( 𝑘𝑍𝑘 ∈ ℤ )
28 eluz ( ( 𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ ) → ( 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ↔ 𝑗𝑘 ) )
29 26 27 28 syl2an ( ( 𝑗𝑍𝑘𝑍 ) → ( 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ↔ 𝑗𝑘 ) )
30 29 biimprd ( ( 𝑗𝑍𝑘𝑍 ) → ( 𝑗𝑘𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) )
31 fveq2 ( 𝑛 = 𝑘 → ( 𝐹𝑛 ) = ( 𝐹𝑘 ) )
32 eqid ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) = ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) )
33 fvex ( 𝐹𝑛 ) ∈ V
34 31 32 33 fvmpt3i ( 𝑘𝑍 → ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) = ( 𝐹𝑘 ) )
35 fveq2 ( 𝑛 = 𝑗 → ( 𝐹𝑛 ) = ( 𝐹𝑗 ) )
36 35 32 33 fvmpt3i ( 𝑗𝑍 → ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) = ( 𝐹𝑗 ) )
37 34 36 oveqan12rd ( ( 𝑗𝑍𝑘𝑍 ) → ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) = ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) )
38 37 fveq2d ( ( 𝑗𝑍𝑘𝑍 ) → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) = ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) )
39 38 breq1d ( ( 𝑗𝑍𝑘𝑍 ) → ( ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ↔ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
40 39 biimprd ( ( 𝑗𝑍𝑘𝑍 ) → ( ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
41 30 40 imim12d ( ( 𝑗𝑍𝑘𝑍 ) → ( ( 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) → ( 𝑗𝑘 → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ) )
42 41 ex ( 𝑗𝑍 → ( 𝑘𝑍 → ( ( 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) → ( 𝑗𝑘 → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ) ) )
43 42 com23 ( 𝑗𝑍 → ( ( 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) → ( 𝑘𝑍 → ( 𝑗𝑘 → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ) ) )
44 43 ralimdv2 ( 𝑗𝑍 → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 → ∀ 𝑘𝑍 ( 𝑗𝑘 → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ) )
45 44 reximia ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 → ∃ 𝑗𝑍𝑘𝑍 ( 𝑗𝑘 → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
46 45 ralimi ( ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘𝑍 ( 𝑗𝑘 → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
47 3 46 syl ( 𝜑 → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘𝑍 ( 𝑗𝑘 → ( abs ‘ ( ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) − ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
48 11 13 25 47 caucvgr ( 𝜑 → ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ∈ dom ⇝𝑟 )
49 13 25 rlimdm ( 𝜑 → ( ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ∈ dom ⇝𝑟 ↔ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ⇝𝑟 ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) ) )
50 48 49 mpbid ( 𝜑 → ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ⇝𝑟 ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) )
51 6 50 eqbrtrid ( 𝜑 → ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) ⇝𝑟 ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) )
52 eqid ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) = ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) )
53 2 52 fmptd ( 𝜑 → ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) : 𝑍 ⟶ ℂ )
54 1 23 53 rlimclim ( 𝜑 → ( ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) ⇝𝑟 ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) ↔ ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) ⇝ ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) ) )
55 51 54 mpbid ( 𝜑 → ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) ⇝ ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) )
56 1 52 climmpt ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑉 ) → ( 𝐹 ⇝ ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) ↔ ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) ⇝ ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) ) )
57 23 4 56 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝐹 ⇝ ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) ↔ ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝐹𝑘 ) ) ⇝ ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) ) )
58 55 57 mpbird ( 𝜑𝐹 ⇝ ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) )
59 climrel Rel ⇝
60 59 releldmi ( 𝐹 ⇝ ( ⇝𝑟 ‘ ( 𝑛𝑍 ↦ ( 𝐹𝑛 ) ) ) → 𝐹 ∈ dom ⇝ )
61 58 60 syl ( 𝜑𝐹 ∈ dom ⇝ )