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Theorem cfilres

Description: Cauchy filter on a metric subspace. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Oct-2015)

Ref Expression
Assertion cfilres ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ↔ ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 simp2 ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) )
2 filfbas ( 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) → 𝐹 ∈ ( fBas ‘ 𝑋 ) )
3 1 2 syl ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → 𝐹 ∈ ( fBas ‘ 𝑋 ) )
4 simp3 ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → 𝑌𝐹 )
5 fbncp ( ( 𝐹 ∈ ( fBas ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ¬ ( 𝑋𝑌 ) ∈ 𝐹 )
6 3 4 5 syl2anc ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ¬ ( 𝑋𝑌 ) ∈ 𝐹 )
7 filelss ( ( 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → 𝑌𝑋 )
8 7 3adant1 ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → 𝑌𝑋 )
9 trfil3 ( ( 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝑋 ) → ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( Fil ‘ 𝑌 ) ↔ ¬ ( 𝑋𝑌 ) ∈ 𝐹 ) )
10 1 8 9 syl2anc ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( Fil ‘ 𝑌 ) ↔ ¬ ( 𝑋𝑌 ) ∈ 𝐹 ) )
11 6 10 mpbird ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( Fil ‘ 𝑌 ) )
12 11 adantr ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) → ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( Fil ‘ 𝑌 ) )
13 cfili ( ( 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ∃ 𝑠𝐹𝑢𝑠𝑣𝑠 ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 )
14 13 adantll ( ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ∃ 𝑠𝐹𝑢𝑠𝑣𝑠 ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 )
15 simpll2 ( ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) )
16 simpll3 ( ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → 𝑌𝐹 )
17 15 16 jca ( ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ( 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) )
18 elrestr ( ( 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹𝑠𝐹 ) → ( 𝑠𝑌 ) ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) )
19 18 3expa ( ( ( 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝑠𝐹 ) → ( 𝑠𝑌 ) ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) )
20 17 19 sylan ( ( ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑠𝐹 ) → ( 𝑠𝑌 ) ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) )
21 inss1 ( 𝑠𝑌 ) ⊆ 𝑠
22 ss2ralv ( ( 𝑠𝑌 ) ⊆ 𝑠 → ( ∀ 𝑢𝑠𝑣𝑠 ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 → ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 ) )
23 21 22 ax-mp ( ∀ 𝑢𝑠𝑣𝑠 ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 → ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 )
24 elinel2 ( 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) → 𝑢𝑌 )
25 elinel2 ( 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) → 𝑣𝑌 )
26 ovres ( ( 𝑢𝑌𝑣𝑌 ) → ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) = ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) )
27 26 breq1d ( ( 𝑢𝑌𝑣𝑌 ) → ( ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ↔ ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 ) )
28 24 25 27 syl2an ( ( 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∧ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ) → ( ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ↔ ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 ) )
29 28 ralbidva ( 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) → ( ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ↔ ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 ) )
30 29 ralbiia ( ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ↔ ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 )
31 23 30 sylibr ( ∀ 𝑢𝑠𝑣𝑠 ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 → ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 )
32 raleq ( 𝑦 = ( 𝑠𝑌 ) → ( ∀ 𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ↔ ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ) )
33 32 raleqbi1dv ( 𝑦 = ( 𝑠𝑌 ) → ( ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ↔ ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ) )
34 33 rspcev ( ( ( 𝑠𝑌 ) ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∧ ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ) → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 )
35 34 ex ( ( 𝑠𝑌 ) ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) → ( ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑠𝑌 ) ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ) )
36 20 31 35 syl2im ( ( ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑠𝐹 ) → ( ∀ 𝑢𝑠𝑣𝑠 ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ) )
37 36 rexlimdva ( ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ( ∃ 𝑠𝐹𝑢𝑠𝑣𝑠 ( 𝑢 𝐷 𝑣 ) < 𝑥 → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ) )
38 14 37 mpd ( ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 )
39 38 ralrimiva ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑦 ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 )
40 simp1 ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) )
41 xmetres2 ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝑋 ) → ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ∈ ( ∞Met ‘ 𝑌 ) )
42 40 8 41 syl2anc ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ∈ ( ∞Met ‘ 𝑌 ) )
43 42 adantr ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) → ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ∈ ( ∞Met ‘ 𝑌 ) )
44 iscfil2 ( ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ∈ ( ∞Met ‘ 𝑌 ) → ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) ↔ ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( Fil ‘ 𝑌 ) ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑦 ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ) ) )
45 43 44 syl ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) → ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) ↔ ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( Fil ‘ 𝑌 ) ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑦 ∈ ( 𝐹t 𝑌 ) ∀ 𝑢𝑦𝑣𝑦 ( 𝑢 ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) 𝑣 ) < 𝑥 ) ) )
46 12 39 45 mpbir2and ( ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) ∧ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) → ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) )
47 46 ex ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) → ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) ) )
48 cfilresi ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) ) → ( 𝑋 filGen ( 𝐹t 𝑌 ) ) ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) )
49 48 ex ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) → ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) → ( 𝑋 filGen ( 𝐹t 𝑌 ) ) ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) )
50 49 3ad2ant1 ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) → ( 𝑋 filGen ( 𝐹t 𝑌 ) ) ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) )
51 fgtr ( ( 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( 𝑋 filGen ( 𝐹t 𝑌 ) ) = 𝐹 )
52 51 3adant1 ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( 𝑋 filGen ( 𝐹t 𝑌 ) ) = 𝐹 )
53 52 eleq1d ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( ( 𝑋 filGen ( 𝐹t 𝑌 ) ) ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ↔ 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) )
54 50 53 sylibd ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) → 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ) )
55 47 54 impbid ( ( 𝐷 ∈ ( ∞Met ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ∈ ( Fil ‘ 𝑋 ) ∧ 𝑌𝐹 ) → ( 𝐹 ∈ ( CauFil ‘ 𝐷 ) ↔ ( 𝐹t 𝑌 ) ∈ ( CauFil ‘ ( 𝐷 ↾ ( 𝑌 × 𝑌 ) ) ) ) )