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Theorem xlimmnfv

Description: A function converges to minus infinity if it eventually becomes (and stays) smaller than any given real number. (Contributed by Glauco Siliprandi, 5-Feb-2022)

Ref Expression
Hypotheses xlimmnfv.m ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
xlimmnfv.z 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
xlimmnfv.f ( 𝜑𝐹 : 𝑍 ⟶ ℝ* )
Assertion xlimmnfv ( 𝜑 → ( 𝐹 ~~>* -∞ ↔ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 xlimmnfv.m ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
2 xlimmnfv.z 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
3 xlimmnfv.f ( 𝜑𝐹 : 𝑍 ⟶ ℝ* )
4 1 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝐹 ~~>* -∞ ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ ) → 𝑀 ∈ ℤ )
5 3 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝐹 ~~>* -∞ ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ ) → 𝐹 : 𝑍 ⟶ ℝ* )
6 simplr ( ( ( 𝜑𝐹 ~~>* -∞ ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ ) → 𝐹 ~~>* -∞ )
7 simpr ( ( ( 𝜑𝐹 ~~>* -∞ ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ ) → 𝑥 ∈ ℝ )
8 4 2 5 6 7 xlimmnfvlem1 ( ( ( 𝜑𝐹 ~~>* -∞ ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 )
9 8 ralrimiva ( ( 𝜑𝐹 ~~>* -∞ ) → ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 )
10 nfv 𝑘 𝜑
11 nfcv 𝑘
12 nfcv 𝑘 𝑍
13 nfra1 𝑘𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥
14 12 13 nfrex 𝑘𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥
15 11 14 nfralw 𝑘𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥
16 10 15 nfan 𝑘 ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 )
17 nfv 𝑗 𝜑
18 nfcv 𝑗
19 nfre1 𝑗𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥
20 18 19 nfralw 𝑗𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥
21 17 20 nfan 𝑗 ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 )
22 1 adantr ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) → 𝑀 ∈ ℤ )
23 3 adantr ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) → 𝐹 : 𝑍 ⟶ ℝ* )
24 nfv 𝑗 𝑦 ∈ ℝ
25 21 24 nfan 𝑗 ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) ∧ 𝑦 ∈ ℝ )
26 3 3ad2ant1 ( ( 𝜑𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) → 𝐹 : 𝑍 ⟶ ℝ* )
27 2 uztrn2 ( ( 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) → 𝑘𝑍 )
28 27 3adant1 ( ( 𝜑𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) → 𝑘𝑍 )
29 26 28 ffvelrnd ( ( 𝜑𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ* )
30 29 ad5ant134 ( ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ* )
31 simp-4r ( ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → 𝑦 ∈ ℝ )
32 peano2rem ( 𝑦 ∈ ℝ → ( 𝑦 − 1 ) ∈ ℝ )
33 32 rexrd ( 𝑦 ∈ ℝ → ( 𝑦 − 1 ) ∈ ℝ* )
34 31 33 syl ( ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → ( 𝑦 − 1 ) ∈ ℝ* )
35 rexr ( 𝑦 ∈ ℝ → 𝑦 ∈ ℝ* )
36 35 ad4antlr ( ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → 𝑦 ∈ ℝ* )
37 simpr ( ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) )
38 31 ltm1d ( ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → ( 𝑦 − 1 ) < 𝑦 )
39 30 34 36 37 38 xrlelttrd ( ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) ∧ ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → ( 𝐹𝑘 ) < 𝑦 )
40 39 ex ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ) → ( ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) → ( 𝐹𝑘 ) < 𝑦 ) )
41 40 ralimdva ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) < 𝑦 ) )
42 41 imp ( ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) < 𝑦 )
43 42 adantl3r ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) ∧ 𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ) ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) < 𝑦 )
44 43 3impa ( ( ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) ∧ 𝑦 ∈ ℝ ) ∧ 𝑗𝑍 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) < 𝑦 )
45 32 adantl ( ( ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥𝑦 ∈ ℝ ) → ( 𝑦 − 1 ) ∈ ℝ )
46 simpl ( ( ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥𝑦 ∈ ℝ ) → ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 )
47 breq2 ( 𝑥 = ( 𝑦 − 1 ) → ( ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ↔ ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) )
48 47 ralbidv ( 𝑥 = ( 𝑦 − 1 ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ↔ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) )
49 48 rexbidv ( 𝑥 = ( 𝑦 − 1 ) → ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ↔ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) ) )
50 49 rspcva ( ( ( 𝑦 − 1 ) ∈ ℝ ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) )
51 45 46 50 syl2anc ( ( ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥𝑦 ∈ ℝ ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) )
52 51 adantll ( ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) ∧ 𝑦 ∈ ℝ ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ ( 𝑦 − 1 ) )
53 25 44 52 reximdd ( ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) ∧ 𝑦 ∈ ℝ ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) < 𝑦 )
54 53 ralrimiva ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) → ∀ 𝑦 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) < 𝑦 )
55 16 21 22 2 23 54 xlimmnfvlem2 ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) → 𝐹 ~~>* -∞ )
56 9 55 impbida ( 𝜑 → ( 𝐹 ~~>* -∞ ↔ ∀ 𝑥 ∈ ℝ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝐹𝑘 ) ≤ 𝑥 ) )