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Theorem lmmo

Description: A sequence in a Hausdorff space converges to at most one limit. Part of Lemma 1.4-2(a) of Kreyszig p. 26. (Contributed by NM, 31-Jan-2008) (Proof shortened by Mario Carneiro, 1-May-2014)

Ref Expression
Hypotheses lmmo.1 ( 𝜑𝐽 ∈ Haus )
lmmo.4 ( 𝜑𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝐴 )
lmmo.5 ( 𝜑𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝐵 )
Assertion lmmo ( 𝜑𝐴 = 𝐵 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lmmo.1 ( 𝜑𝐽 ∈ Haus )
2 lmmo.4 ( 𝜑𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝐴 )
3 lmmo.5 ( 𝜑𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝐵 )
4 an4 ( ( ( 𝑥𝐽𝑦𝐽 ) ∧ ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ) ) ↔ ( ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) ∧ ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) ) )
5 nnuz ℕ = ( ℤ ‘ 1 )
6 simprr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) ) → 𝐴𝑥 )
7 1zzd ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) ) → 1 ∈ ℤ )
8 2 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) ) → 𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝐴 )
9 simprl ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) ) → 𝑥𝐽 )
10 5 6 7 8 9 lmcvg ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) ) → ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 )
11 10 ex ( 𝜑 → ( ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) → ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ) )
12 simprr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) ) → 𝐵𝑦 )
13 1zzd ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) ) → 1 ∈ ℤ )
14 3 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) ) → 𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝐵 )
15 simprl ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) ) → 𝑦𝐽 )
16 5 12 13 14 15 lmcvg ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) ) → ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 )
17 16 ex ( 𝜑 → ( ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) → ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) )
18 11 17 anim12d ( 𝜑 → ( ( ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) ∧ ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) ) → ( ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) ) )
19 5 rexanuz2 ( ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) ↔ ( ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) )
20 nnz ( 𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℤ )
21 uzid ( 𝑗 ∈ ℤ → 𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) )
22 ne0i ( 𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) → ( ℤ𝑗 ) ≠ ∅ )
23 20 21 22 3syl ( 𝑗 ∈ ℕ → ( ℤ𝑗 ) ≠ ∅ )
24 r19.2z ( ( ( ℤ𝑗 ) ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) ) → ∃ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) )
25 elin ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( 𝑥𝑦 ) ↔ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) )
26 n0i ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( 𝑥𝑦 ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ )
27 25 26 sylbir ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ )
28 27 rexlimivw ( ∃ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ )
29 24 28 syl ( ( ( ℤ𝑗 ) ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ )
30 23 29 sylan ( ( 𝑗 ∈ ℕ ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ )
31 30 rexlimiva ( ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ )
32 19 31 sylbir ( ( ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑥 ∧ ∃ 𝑗 ∈ ℕ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑦 ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ )
33 18 32 syl6 ( 𝜑 → ( ( ( 𝑥𝐽𝐴𝑥 ) ∧ ( 𝑦𝐽𝐵𝑦 ) ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
34 4 33 syl5bi ( 𝜑 → ( ( ( 𝑥𝐽𝑦𝐽 ) ∧ ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ) ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
35 34 expdimp ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝐽𝑦𝐽 ) ) → ( ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
36 imnan ( ( ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ) → ¬ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) ↔ ¬ ( ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ) ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
37 35 36 sylib ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝐽𝑦𝐽 ) ) → ¬ ( ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ) ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
38 df-3an ( ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) ↔ ( ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ) ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
39 37 38 sylnibr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝐽𝑦𝐽 ) ) → ¬ ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
40 39 anassrs ( ( ( 𝜑𝑥𝐽 ) ∧ 𝑦𝐽 ) → ¬ ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
41 40 nrexdv ( ( 𝜑𝑥𝐽 ) → ¬ ∃ 𝑦𝐽 ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
42 41 nrexdv ( 𝜑 → ¬ ∃ 𝑥𝐽𝑦𝐽 ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
43 haustop ( 𝐽 ∈ Haus → 𝐽 ∈ Top )
44 1 43 syl ( 𝜑𝐽 ∈ Top )
45 toptopon2 ( 𝐽 ∈ Top ↔ 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝐽 ) )
46 44 45 sylib ( 𝜑𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝐽 ) )
47 lmcl ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝐽 ) ∧ 𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝐴 ) → 𝐴 𝐽 )
48 46 2 47 syl2anc ( 𝜑𝐴 𝐽 )
49 lmcl ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝐽 ) ∧ 𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝐵 ) → 𝐵 𝐽 )
50 46 3 49 syl2anc ( 𝜑𝐵 𝐽 )
51 eqid 𝐽 = 𝐽
52 51 hausnei ( ( 𝐽 ∈ Haus ∧ ( 𝐴 𝐽𝐵 𝐽𝐴𝐵 ) ) → ∃ 𝑥𝐽𝑦𝐽 ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) )
53 52 3exp2 ( 𝐽 ∈ Haus → ( 𝐴 𝐽 → ( 𝐵 𝐽 → ( 𝐴𝐵 → ∃ 𝑥𝐽𝑦𝐽 ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) ) ) ) )
54 1 48 50 53 syl3c ( 𝜑 → ( 𝐴𝐵 → ∃ 𝑥𝐽𝑦𝐽 ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) ) )
55 54 necon1bd ( 𝜑 → ( ¬ ∃ 𝑥𝐽𝑦𝐽 ( 𝐴𝑥𝐵𝑦 ∧ ( 𝑥𝑦 ) = ∅ ) → 𝐴 = 𝐵 ) )
56 42 55 mpd ( 𝜑𝐴 = 𝐵 )