Metamath Proof Explorer


Theorem heiborlem7

Description: Lemma for heibor . Since the sizes of the balls decrease exponentially, the sequence converges to zero. (Contributed by Jeff Madsen, 23-Jan-2014)

Ref Expression
Hypotheses heibor.1 โŠข ๐ฝ = ( MetOpen โ€˜ ๐ท )
heibor.3 โŠข ๐พ = { ๐‘ข โˆฃ ยฌ โˆƒ ๐‘ฃ โˆˆ ( ๐’ซ ๐‘ˆ โˆฉ Fin ) ๐‘ข โŠ† โˆช ๐‘ฃ }
heibor.4 โŠข ๐บ = { โŸจ ๐‘ฆ , ๐‘› โŸฉ โˆฃ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โ€˜ ๐‘› ) โˆง ( ๐‘ฆ ๐ต ๐‘› ) โˆˆ ๐พ ) }
heibor.5 โŠข ๐ต = ( ๐‘ง โˆˆ ๐‘‹ , ๐‘š โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐‘ง ( ball โ€˜ ๐ท ) ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘š ) ) ) )
heibor.6 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ท โˆˆ ( CMet โ€˜ ๐‘‹ ) )
heibor.7 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : โ„•0 โŸถ ( ๐’ซ ๐‘‹ โˆฉ Fin ) )
heibor.8 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘› โˆˆ โ„•0 ๐‘‹ = โˆช ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โ€˜ ๐‘› ) ( ๐‘ฆ ๐ต ๐‘› ) )
heibor.9 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐บ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ๐บ ( ( 2nd โ€˜ ๐‘ฅ ) + 1 ) โˆง ( ( ๐ต โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆฉ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ๐ต ( ( 2nd โ€˜ ๐‘ฅ ) + 1 ) ) ) โˆˆ ๐พ ) )
heibor.10 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ ๐บ 0 )
heibor.11 โŠข ๐‘† = seq 0 ( ๐‘‡ , ( ๐‘š โˆˆ โ„•0 โ†ฆ if ( ๐‘š = 0 , ๐ถ , ( ๐‘š โˆ’ 1 ) ) ) )
heibor.12 โŠข ๐‘€ = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ โŸจ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) , ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) โŸฉ )
Assertion heiborlem7 โˆ€ ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 2nd โ€˜ ( ๐‘€ โ€˜ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 heibor.1 โŠข ๐ฝ = ( MetOpen โ€˜ ๐ท )
2 heibor.3 โŠข ๐พ = { ๐‘ข โˆฃ ยฌ โˆƒ ๐‘ฃ โˆˆ ( ๐’ซ ๐‘ˆ โˆฉ Fin ) ๐‘ข โŠ† โˆช ๐‘ฃ }
3 heibor.4 โŠข ๐บ = { โŸจ ๐‘ฆ , ๐‘› โŸฉ โˆฃ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โ€˜ ๐‘› ) โˆง ( ๐‘ฆ ๐ต ๐‘› ) โˆˆ ๐พ ) }
4 heibor.5 โŠข ๐ต = ( ๐‘ง โˆˆ ๐‘‹ , ๐‘š โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐‘ง ( ball โ€˜ ๐ท ) ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘š ) ) ) )
5 heibor.6 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ท โˆˆ ( CMet โ€˜ ๐‘‹ ) )
6 heibor.7 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : โ„•0 โŸถ ( ๐’ซ ๐‘‹ โˆฉ Fin ) )
7 heibor.8 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘› โˆˆ โ„•0 ๐‘‹ = โˆช ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โ€˜ ๐‘› ) ( ๐‘ฆ ๐ต ๐‘› ) )
8 heibor.9 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐บ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ๐บ ( ( 2nd โ€˜ ๐‘ฅ ) + 1 ) โˆง ( ( ๐ต โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆฉ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ๐ต ( ( 2nd โ€˜ ๐‘ฅ ) + 1 ) ) ) โˆˆ ๐พ ) )
9 heibor.10 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ ๐บ 0 )
10 heibor.11 โŠข ๐‘† = seq 0 ( ๐‘‡ , ( ๐‘š โˆˆ โ„•0 โ†ฆ if ( ๐‘š = 0 , ๐ถ , ( ๐‘š โˆ’ 1 ) ) ) )
11 heibor.12 โŠข ๐‘€ = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ โŸจ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) , ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) โŸฉ )
12 3re โŠข 3 โˆˆ โ„
13 3pos โŠข 0 < 3
14 12 13 elrpii โŠข 3 โˆˆ โ„+
15 rpdivcl โŠข ( ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โˆง 3 โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ๐‘Ÿ / 3 ) โˆˆ โ„+ )
16 14 15 mpan2 โŠข ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โ†’ ( ๐‘Ÿ / 3 ) โˆˆ โ„+ )
17 2re โŠข 2 โˆˆ โ„
18 1lt2 โŠข 1 < 2
19 expnlbnd โŠข ( ( ( ๐‘Ÿ / 3 ) โˆˆ โ„+ โˆง 2 โˆˆ โ„ โˆง 1 < 2 ) โ†’ โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ( ๐‘Ÿ / 3 ) )
20 17 18 19 mp3an23 โŠข ( ( ๐‘Ÿ / 3 ) โˆˆ โ„+ โ†’ โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ( ๐‘Ÿ / 3 ) )
21 16 20 syl โŠข ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โ†’ โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ( ๐‘Ÿ / 3 ) )
22 2nn โŠข 2 โˆˆ โ„•
23 nnnn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
24 nnexpcl โŠข ( ( 2 โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• )
25 22 23 24 sylancr โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• )
26 25 nnrpd โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„+ )
27 rpcn โŠข ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„+ โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
28 rpne0 โŠข ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„+ โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰  0 )
29 3cn โŠข 3 โˆˆ โ„‚
30 divrec โŠข ( ( 3 โˆˆ โ„‚ โˆง ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰  0 ) โ†’ ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
31 29 30 mp3an1 โŠข ( ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰  0 ) โ†’ ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
32 27 28 31 syl2anc โŠข ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„+ โ†’ ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
33 26 32 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
34 33 adantl โŠข ( ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
35 34 breq1d โŠข ( ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ โ†” ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) < ๐‘Ÿ ) )
36 25 nnrecred โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ โ„ )
37 rpre โŠข ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โ†’ ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ )
38 12 13 pm3.2i โŠข ( 3 โˆˆ โ„ โˆง 0 < 3 )
39 ltmuldiv2 โŠข ( ( ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ โ„ โˆง ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆง ( 3 โˆˆ โ„ โˆง 0 < 3 ) ) โ†’ ( ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) < ๐‘Ÿ โ†” ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ( ๐‘Ÿ / 3 ) ) )
40 38 39 mp3an3 โŠข ( ( ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ โ„ โˆง ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) < ๐‘Ÿ โ†” ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ( ๐‘Ÿ / 3 ) ) )
41 36 37 40 syl2anr โŠข ( ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( 3 ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) < ๐‘Ÿ โ†” ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ( ๐‘Ÿ / 3 ) ) )
42 35 41 bitrd โŠข ( ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ โ†” ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ( ๐‘Ÿ / 3 ) ) )
43 42 rexbidva โŠข ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โ†’ ( โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ โ†” โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ( ๐‘Ÿ / 3 ) ) )
44 21 43 mpbird โŠข ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โ†’ โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ )
45 fveq2 โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) = ( ๐‘† โ€˜ ๐‘˜ ) )
46 oveq2 โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘› ) = ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) )
47 46 oveq2d โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) = ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
48 45 47 opeq12d โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ โŸจ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) , ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) โŸฉ = โŸจ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘˜ ) , ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โŸฉ )
49 opex โŠข โŸจ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘˜ ) , ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โŸฉ โˆˆ V
50 48 11 49 fvmpt โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘€ โ€˜ ๐‘˜ ) = โŸจ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘˜ ) , ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โŸฉ )
51 50 fveq2d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 2nd โ€˜ ( ๐‘€ โ€˜ ๐‘˜ ) ) = ( 2nd โ€˜ โŸจ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘˜ ) , ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โŸฉ ) )
52 fvex โŠข ( ๐‘† โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ V
53 ovex โŠข ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ V
54 52 53 op2nd โŠข ( 2nd โ€˜ โŸจ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘˜ ) , ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โŸฉ ) = ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) )
55 51 54 eqtrdi โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 2nd โ€˜ ( ๐‘€ โ€˜ ๐‘˜ ) ) = ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
56 55 breq1d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ( 2nd โ€˜ ( ๐‘€ โ€˜ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ โ†” ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ ) )
57 56 rexbiia โŠข ( โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 2nd โ€˜ ( ๐‘€ โ€˜ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ โ†” โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 3 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ )
58 44 57 sylibr โŠข ( ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โ†’ โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 2nd โ€˜ ( ๐‘€ โ€˜ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ )
59 58 rgen โŠข โˆ€ ๐‘Ÿ โˆˆ โ„+ โˆƒ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 2nd โ€˜ ( ๐‘€ โ€˜ ๐‘˜ ) ) < ๐‘Ÿ