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Theorem ulmres

Description: A sequence of functions converges iff the tail of the sequence converges (for any finite cutoff). (Contributed by Mario Carneiro, 24-Mar-2015)

Ref Expression
Hypotheses ulmres.z ⊢ 𝑍 = ( ℤ≥ ‘ 𝑀 )
ulmres.w ⊢ 𝑊 = ( ℤ≥ ‘ 𝑁 )
ulmres.m ⊢ ( 𝜑 → 𝑁 ∈ 𝑍 )
ulmres.f ⊢ ( 𝜑 → 𝐹 : 𝑍 ⟶ ( ℂ ↑m 𝑆 ) )
Assertion ulmres ( 𝜑 → ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ↔ ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ulmres.z ⊢ 𝑍 = ( ℤ≥ ‘ 𝑀 )
2 ulmres.w ⊢ 𝑊 = ( ℤ≥ ‘ 𝑁 )
3 ulmres.m ⊢ ( 𝜑 → 𝑁 ∈ 𝑍 )
4 ulmres.f ⊢ ( 𝜑 → 𝐹 : 𝑍 ⟶ ( ℂ ↑m 𝑆 ) )
5 ulmscl ⊢ ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 → 𝑆 ∈ V )
6 ulmcl ⊢ ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 → 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ )
7 5 6 jca ⊢ ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 → ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) )
8 7 a1i ⊢ ( 𝜑 → ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 → ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) )
9 ulmscl ⊢ ( ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 → 𝑆 ∈ V )
10 ulmcl ⊢ ( ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 → 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ )
11 9 10 jca ⊢ ( ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 → ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) )
12 11 a1i ⊢ ( 𝜑 → ( ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 → ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) )
13 3 1 eleqtrdi ⊢ ( 𝜑 → 𝑁 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑀 ) )
14 13 adantr ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → 𝑁 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑀 ) )
15 eluzel2 ⊢ ( 𝑁 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑀 ) → 𝑀 ∈ ℤ )
16 14 15 syl ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → 𝑀 ∈ ℤ )
17 1 rexuz3 ⊢ ( 𝑀 ∈ ℤ → ( ∃ 𝑗 ∈ 𝑍 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ↔ ∃ 𝑗 ∈ ℤ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ) )
18 16 17 syl ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( ∃ 𝑗 ∈ 𝑍 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ↔ ∃ 𝑗 ∈ ℤ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ) )
19 eluzelz ⊢ ( 𝑁 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑀 ) → 𝑁 ∈ ℤ )
20 14 19 syl ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → 𝑁 ∈ ℤ )
21 2 rexuz3 ⊢ ( 𝑁 ∈ ℤ → ( ∃ 𝑗 ∈ 𝑊 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ↔ ∃ 𝑗 ∈ ℤ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ) )
22 20 21 syl ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( ∃ 𝑗 ∈ 𝑊 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ↔ ∃ 𝑗 ∈ ℤ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ) )
23 18 22 bitr4d ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( ∃ 𝑗 ∈ 𝑍 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ↔ ∃ 𝑗 ∈ 𝑊 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ) )
24 23 ralbidv ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( ∀ 𝑟 ∈ ℝ+ ∃ 𝑗 ∈ 𝑍 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ↔ ∀ 𝑟 ∈ ℝ+ ∃ 𝑗 ∈ 𝑊 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ) )
25 4 adantr ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → 𝐹 : 𝑍 ⟶ ( ℂ ↑m 𝑆 ) )
26 eqidd ⊢ ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) ∧ ( 𝑘 ∈ 𝑍 ∧ 𝑧 ∈ 𝑆 ) ) → ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) = ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) )
27 eqidd ⊢ ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) ∧ 𝑧 ∈ 𝑆 ) → ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) = ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) )
28 simprr ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ )
29 simprl ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → 𝑆 ∈ V )
30 1 16 25 26 27 28 29 ulm2 ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ↔ ∀ 𝑟 ∈ ℝ+ ∃ 𝑗 ∈ 𝑍 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ) )
31 uzss ⊢ ( 𝑁 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑀 ) → ( ℤ≥ ‘ 𝑁 ) ⊆ ( ℤ≥ ‘ 𝑀 ) )
32 14 31 syl ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( ℤ≥ ‘ 𝑁 ) ⊆ ( ℤ≥ ‘ 𝑀 ) )
33 32 2 1 3sstr4g ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → 𝑊 ⊆ 𝑍 )
34 25 33 fssresd ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) : 𝑊 ⟶ ( ℂ ↑m 𝑆 ) )
35 fvres ⊢ ( 𝑘 ∈ 𝑊 → ( ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ‘ 𝑘 ) = ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) )
36 35 ad2antrl ⊢ ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) ∧ ( 𝑘 ∈ 𝑊 ∧ 𝑧 ∈ 𝑆 ) ) → ( ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ‘ 𝑘 ) = ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) )
37 36 fveq1d ⊢ ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) ∧ ( 𝑘 ∈ 𝑊 ∧ 𝑧 ∈ 𝑆 ) ) → ( ( ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) = ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) )
38 2 20 34 37 27 28 29 ulm2 ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ↔ ∀ 𝑟 ∈ ℝ+ ∃ 𝑗 ∈ 𝑊 ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ≥ ‘ 𝑗 ) ∀ 𝑧 ∈ 𝑆 ( abs ‘ ( ( ( 𝐹 ‘ 𝑘 ) ‘ 𝑧 ) − ( 𝐺 ‘ 𝑧 ) ) ) < 𝑟 ) )
39 24 30 38 3bitr4d ⊢ ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) ) → ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ↔ ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ) )
40 39 ex ⊢ ( 𝜑 → ( ( 𝑆 ∈ V ∧ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ ) → ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ↔ ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ) ) )
41 8 12 40 pm5.21ndd ⊢ ( 𝜑 → ( 𝐹 ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ↔ ( 𝐹 ↾ 𝑊 ) ( ⇝𝑢 ‘ 𝑆 ) 𝐺 ) )