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Theorem smflimsuplem8

Description: The superior limit of a sequence of sigma-measurable functions is sigma-measurable. Proposition 121F (d) of Fremlin1 p. 39 . (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Oct-2021)

Ref Expression
Hypotheses smflimsuplem8.m ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
smflimsuplem8.z 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
smflimsuplem8.s ( 𝜑𝑆 ∈ SAlg )
smflimsuplem8.f ( 𝜑𝐹 : 𝑍 ⟶ ( SMblFn ‘ 𝑆 ) )
smflimsuplem8.d 𝐷 = { 𝑥 𝑛𝑍 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ∣ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ }
smflimsuplem8.g 𝐺 = ( 𝑥𝐷 ↦ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
smflimsuplem8.e 𝐸 = ( 𝑘𝑍 ↦ { 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑘 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ∣ sup ( ran ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑘 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) , ℝ* , < ) ∈ ℝ } )
smflimsuplem8.h 𝐻 = ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝑥 ∈ ( 𝐸𝑘 ) ↦ sup ( ran ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑘 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) , ℝ* , < ) ) )
Assertion smflimsuplem8 ( 𝜑𝐺 ∈ ( SMblFn ‘ 𝑆 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 smflimsuplem8.m ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
2 smflimsuplem8.z 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
3 smflimsuplem8.s ( 𝜑𝑆 ∈ SAlg )
4 smflimsuplem8.f ( 𝜑𝐹 : 𝑍 ⟶ ( SMblFn ‘ 𝑆 ) )
5 smflimsuplem8.d 𝐷 = { 𝑥 𝑛𝑍 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ∣ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ }
6 smflimsuplem8.g 𝐺 = ( 𝑥𝐷 ↦ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
7 smflimsuplem8.e 𝐸 = ( 𝑘𝑍 ↦ { 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑘 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ∣ sup ( ran ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑘 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) , ℝ* , < ) ∈ ℝ } )
8 smflimsuplem8.h 𝐻 = ( 𝑘𝑍 ↦ ( 𝑥 ∈ ( 𝐸𝑘 ) ↦ sup ( ran ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑘 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) , ℝ* , < ) ) )
9 6 a1i ( 𝜑𝐺 = ( 𝑥𝐷 ↦ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ) )
10 1 2 3 4 5 7 8 smflimsuplem7 ( 𝜑𝐷 = { 𝑥 𝑛𝑍 𝑘 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐻𝑘 ) ∣ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ∈ dom ⇝ } )
11 rabidim1 ( 𝑥 ∈ { 𝑥 𝑛𝑍 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ∣ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ } → 𝑥 𝑛𝑍 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) )
12 eliun ( 𝑥 𝑛𝑍 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ↔ ∃ 𝑛𝑍 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) )
13 11 12 sylib ( 𝑥 ∈ { 𝑥 𝑛𝑍 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ∣ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ } → ∃ 𝑛𝑍 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) )
14 13 5 eleq2s ( 𝑥𝐷 → ∃ 𝑛𝑍 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) )
15 14 adantl ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → ∃ 𝑛𝑍 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) )
16 nfv 𝑛 ( 𝜑𝑥𝐷 )
17 nfv 𝑛 ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) = ( ⇝ ‘ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) )
18 nfv 𝑘 ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) )
19 nfv 𝑚 ( 𝜑𝑥𝐷 )
20 nfv 𝑚 𝑛𝑍
21 nfcv 𝑚 𝑥
22 nfii1 𝑚 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 )
23 21 22 nfel 𝑚 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 )
24 19 20 23 nf3an 𝑚 ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) )
25 1 adantr ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 𝑀 ∈ ℤ )
26 25 3ad2ant1 ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝑀 ∈ ℤ )
27 3 adantr ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 𝑆 ∈ SAlg )
28 27 3ad2ant1 ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝑆 ∈ SAlg )
29 4 adantr ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → 𝐹 : 𝑍 ⟶ ( SMblFn ‘ 𝑆 ) )
30 29 3ad2ant1 ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝐹 : 𝑍 ⟶ ( SMblFn ‘ 𝑆 ) )
31 rabidim2 ( 𝑥 ∈ { 𝑥 𝑛𝑍 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ∣ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ } → ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
32 31 5 eleq2s ( 𝑥𝐷 → ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
33 fveq2 ( 𝑚 = 𝑦 → ( 𝐹𝑚 ) = ( 𝐹𝑦 ) )
34 33 fveq1d ( 𝑚 = 𝑦 → ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) = ( ( 𝐹𝑦 ) ‘ 𝑥 ) )
35 34 cbvmptv ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) = ( 𝑦𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑦 ) ‘ 𝑥 ) )
36 fveq2 ( 𝑧 = 𝑦 → ( 𝐹𝑧 ) = ( 𝐹𝑦 ) )
37 36 fveq1d ( 𝑧 = 𝑦 → ( ( 𝐹𝑧 ) ‘ 𝑥 ) = ( ( 𝐹𝑦 ) ‘ 𝑥 ) )
38 37 cbvmptv ( 𝑧𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑧 ) ‘ 𝑥 ) ) = ( 𝑦𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑦 ) ‘ 𝑥 ) )
39 fveq2 ( 𝑧 = 𝑤 → ( 𝐹𝑧 ) = ( 𝐹𝑤 ) )
40 39 fveq1d ( 𝑧 = 𝑤 → ( ( 𝐹𝑧 ) ‘ 𝑥 ) = ( ( 𝐹𝑤 ) ‘ 𝑥 ) )
41 40 cbvmptv ( 𝑧𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑧 ) ‘ 𝑥 ) ) = ( 𝑤𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑤 ) ‘ 𝑥 ) )
42 35 38 41 3eqtr2i ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) = ( 𝑤𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑤 ) ‘ 𝑥 ) )
43 42 fveq2i ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) = ( lim sup ‘ ( 𝑤𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑤 ) ‘ 𝑥 ) ) )
44 43 eleq1i ( ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ ↔ ( lim sup ‘ ( 𝑤𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑤 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
45 32 44 sylib ( 𝑥𝐷 → ( lim sup ‘ ( 𝑤𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑤 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
46 45 adantl ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → ( lim sup ‘ ( 𝑤𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑤 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
47 46 3ad2ant1 ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( lim sup ‘ ( 𝑤𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑤 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
48 47 44 sylibr ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
49 simp2 ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝑛𝑍 )
50 simp3 ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) )
51 18 24 26 2 28 30 7 8 48 49 50 smflimsuplem5 ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( 𝑘 ∈ ( ℤ𝑛 ) ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ⇝ ( lim sup ‘ ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
52 fvexd ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( ℤ𝑛 ) ∈ V )
53 2 fvexi 𝑍 ∈ V
54 53 a1i ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝑍 ∈ V )
55 2 49 eluzelz2d ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝑛 ∈ ℤ )
56 eqid ( ℤ𝑛 ) = ( ℤ𝑛 )
57 55 uzidd ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝑛 ∈ ( ℤ𝑛 ) )
58 57 uzssd ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( ℤ𝑛 ) ⊆ ( ℤ𝑛 ) )
59 2 49 uzssd2 ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( ℤ𝑛 ) ⊆ 𝑍 )
60 fvexd ( ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑛 ) ) → ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ∈ V )
61 18 52 54 55 56 58 59 60 climeqmpt ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( ( 𝑘 ∈ ( ℤ𝑛 ) ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ⇝ ( lim sup ‘ ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ↔ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ⇝ ( lim sup ‘ ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ) )
62 51 61 mpbid ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ⇝ ( lim sup ‘ ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
63 simp1l ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → 𝜑 )
64 nfv 𝑚 𝜑
65 64 20 nfan 𝑚 ( 𝜑𝑛𝑍 )
66 2 eluzelz2 ( 𝑛𝑍𝑛 ∈ ℤ )
67 66 adantl ( ( 𝜑𝑛𝑍 ) → 𝑛 ∈ ℤ )
68 1 adantr ( ( 𝜑𝑛𝑍 ) → 𝑀 ∈ ℤ )
69 fvexd ( ( ( 𝜑𝑛𝑍 ) ∧ 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) ) → ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ∈ V )
70 fvexd ( ( ( 𝜑𝑛𝑍 ) ∧ 𝑚𝑍 ) → ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ∈ V )
71 65 67 68 56 2 69 70 limsupequzmpt ( ( 𝜑𝑛𝑍 ) → ( lim sup ‘ ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) = ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
72 63 49 71 syl2anc ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( lim sup ‘ ( 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) = ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
73 62 72 breqtrd ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ⇝ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
74 73 climfvd ( ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) ∧ 𝑛𝑍𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) ) → ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) = ( ⇝ ‘ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
75 74 3exp ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → ( 𝑛𝑍 → ( 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) → ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) = ( ⇝ ‘ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ) ) )
76 16 17 75 rexlimd ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → ( ∃ 𝑛𝑍 𝑥 𝑚 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐹𝑚 ) → ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) = ( ⇝ ‘ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ) )
77 15 76 mpd ( ( 𝜑𝑥𝐷 ) → ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) = ( ⇝ ‘ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ) )
78 10 77 mpteq12dva ( 𝜑 → ( 𝑥𝐷 ↦ ( lim sup ‘ ( 𝑚𝑍 ↦ ( ( 𝐹𝑚 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ) = ( 𝑥 ∈ { 𝑥 𝑛𝑍 𝑘 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐻𝑘 ) ∣ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ∈ dom ⇝ } ↦ ( ⇝ ‘ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ) )
79 9 78 eqtrd ( 𝜑𝐺 = ( 𝑥 ∈ { 𝑥 𝑛𝑍 𝑘 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐻𝑘 ) ∣ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ∈ dom ⇝ } ↦ ( ⇝ ‘ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ) )
80 1 2 3 4 7 8 smflimsuplem3 ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ { 𝑥 𝑛𝑍 𝑘 ∈ ( ℤ𝑛 ) dom ( 𝐻𝑘 ) ∣ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ∈ dom ⇝ } ↦ ( ⇝ ‘ ( 𝑘𝑍 ↦ ( ( 𝐻𝑘 ) ‘ 𝑥 ) ) ) ) ∈ ( SMblFn ‘ 𝑆 ) )
81 79 80 eqeltrd ( 𝜑𝐺 ∈ ( SMblFn ‘ 𝑆 ) )