Metamath Proof Explorer


Theorem caurcvgr

Description: A Cauchy sequence of real numbers converges to its limit supremum. The third hypothesis specifies that F is a Cauchy sequence. (Contributed by Mario Carneiro, 7-May-2016) (Revised by AV, 12-Sep-2020)

Ref Expression
Hypotheses caurcvgr.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โІ โ„ )
caurcvgr.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : ๐ด โŸถ โ„ )
caurcvgr.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ sup ( ๐ด , โ„* , < ) = +โˆž )
caurcvgr.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) ) ) < ๐‘ฅ ) )
Assertion caurcvgr ( ๐œ‘ โ†’ ๐น โ‡๐‘Ÿ ( lim sup โ€˜ ๐น ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 caurcvgr.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โІ โ„ )
2 caurcvgr.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : ๐ด โŸถ โ„ )
3 caurcvgr.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ sup ( ๐ด , โ„* , < ) = +โˆž )
4 caurcvgr.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) ) ) < ๐‘ฅ ) )
5 1rp โŠข 1 โˆˆ โ„+
6 5 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 1 โˆˆ โ„+ )
7 1 2 3 4 6 caucvgrlem โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด ( ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท 1 ) ) ) )
8 simpl โŠข ( ( ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท 1 ) ) ) โ†’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ )
9 8 rexlimivw โŠข ( โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด ( ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท 1 ) ) ) โ†’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ )
10 7 9 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ )
11 10 recnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„‚ )
12 1 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ๐ด โІ โ„ )
13 2 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ๐น : ๐ด โŸถ โ„ )
14 3 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ sup ( ๐ด , โ„* , < ) = +โˆž )
15 4 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) ) ) < ๐‘ฅ ) )
16 simpr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ )
17 3rp โŠข 3 โˆˆ โ„+
18 rpdivcl โŠข ( ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โˆง 3 โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ๐‘ฆ / 3 ) โˆˆ โ„+ )
19 16 17 18 sylancl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ๐‘ฆ / 3 ) โˆˆ โ„+ )
20 12 13 14 15 19 caucvgrlem โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด ( ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) ) )
21 simpr โŠข ( ( ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) ) โ†’ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) )
22 21 reximi โŠข ( โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด ( ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) ) โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) )
23 20 22 syl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) )
24 ssrexv โŠข ( ๐ด โІ โ„ โ†’ ( โˆƒ ๐‘— โˆˆ ๐ด โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) ) )
25 12 23 24 sylc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) )
26 rpcn โŠข ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ )
27 26 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ )
28 3cn โŠข 3 โˆˆ โ„‚
29 28 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ 3 โˆˆ โ„‚ )
30 3ne0 โŠข 3 โ‰  0
31 30 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ 3 โ‰  0 )
32 27 29 31 divcan2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) = ๐‘ฆ )
33 32 breq2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) โ†” ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ๐‘ฆ ) )
34 33 imbi2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) โ†” ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ๐‘ฆ ) ) )
35 34 rexralbidv โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ( 3 ยท ( ๐‘ฆ / 3 ) ) ) โ†” โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ๐‘ฆ ) ) )
36 25 35 mpbid โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ ) โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ๐‘ฆ ) )
37 36 ralrimiva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ๐‘ฆ ) )
38 ax-resscn โŠข โ„ โІ โ„‚
39 fss โŠข ( ( ๐น : ๐ด โŸถ โ„ โˆง โ„ โІ โ„‚ ) โ†’ ๐น : ๐ด โŸถ โ„‚ )
40 2 38 39 sylancl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : ๐ด โŸถ โ„‚ )
41 eqidd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) )
42 40 1 41 rlim โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐น โ‡๐‘Ÿ ( lim sup โ€˜ ๐น ) โ†” ( ( lim sup โ€˜ ๐น ) โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ๐ด ( ๐‘— โ‰ค ๐‘˜ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆ’ ( lim sup โ€˜ ๐น ) ) ) < ๐‘ฆ ) ) ) )
43 11 37 42 mpbir2and โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น โ‡๐‘Ÿ ( lim sup โ€˜ ๐น ) )