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Theorem xlimxrre

Description: If a sequence ranging over the extended reals converges w.r.t. the standard topology on the complex numbers, then there exists an upper set of the integers over which the function is real-valued (the weaker hypothesis F e. dom ~> is probably not enough, since in principle we could have +oo e. CC and -oo e. CC ). (Contributed by Glauco Siliprandi, 5-Feb-2022)

Ref Expression
Hypotheses xlimxrre.m ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
xlimxrre.z 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
xlimxrre.f ( 𝜑𝐹 : 𝑍 ⟶ ℝ* )
xlimxrre.a ( 𝜑𝐴 ∈ ℝ )
xlimxrre.c ( 𝜑𝐹 ~~>* 𝐴 )
Assertion xlimxrre ( 𝜑 → ∃ 𝑗𝑍 ( 𝐹 ↾ ( ℤ𝑗 ) ) : ( ℤ𝑗 ) ⟶ ℝ )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 xlimxrre.m ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
2 xlimxrre.z 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
3 xlimxrre.f ( 𝜑𝐹 : 𝑍 ⟶ ℝ* )
4 xlimxrre.a ( 𝜑𝐴 ∈ ℝ )
5 xlimxrre.c ( 𝜑𝐹 ~~>* 𝐴 )
6 elioore ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ )
7 6 anim2i ( ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) → ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ ) )
8 7 ralimi ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ ) )
9 8 adantl ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ ) )
10 3 ffund ( 𝜑 → Fun 𝐹 )
11 ffvresb ( Fun 𝐹 → ( ( 𝐹 ↾ ( ℤ𝑗 ) ) : ( ℤ𝑗 ) ⟶ ℝ ↔ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ ) ) )
12 10 11 syl ( 𝜑 → ( ( 𝐹 ↾ ( ℤ𝑗 ) ) : ( ℤ𝑗 ) ⟶ ℝ ↔ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ ) ) )
13 12 adantr ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) → ( ( 𝐹 ↾ ( ℤ𝑗 ) ) : ( ℤ𝑗 ) ⟶ ℝ ↔ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℝ ) ) )
14 9 13 mpbird ( ( 𝜑 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) → ( 𝐹 ↾ ( ℤ𝑗 ) ) : ( ℤ𝑗 ) ⟶ ℝ )
15 14 adantrl ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑗𝑍 ∧ ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) ) → ( 𝐹 ↾ ( ℤ𝑗 ) ) : ( ℤ𝑗 ) ⟶ ℝ )
16 peano2rem ( 𝐴 ∈ ℝ → ( 𝐴 − 1 ) ∈ ℝ )
17 4 16 syl ( 𝜑 → ( 𝐴 − 1 ) ∈ ℝ )
18 17 rexrd ( 𝜑 → ( 𝐴 − 1 ) ∈ ℝ* )
19 peano2re ( 𝐴 ∈ ℝ → ( 𝐴 + 1 ) ∈ ℝ )
20 4 19 syl ( 𝜑 → ( 𝐴 + 1 ) ∈ ℝ )
21 20 rexrd ( 𝜑 → ( 𝐴 + 1 ) ∈ ℝ* )
22 4 ltm1d ( 𝜑 → ( 𝐴 − 1 ) < 𝐴 )
23 4 ltp1d ( 𝜑𝐴 < ( 𝐴 + 1 ) )
24 18 21 4 22 23 eliood ( 𝜑𝐴 ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) )
25 iooordt ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ∈ ( ordTop ‘ ≤ )
26 nfcv 𝑘 𝐹
27 eqid ( ordTop ‘ ≤ ) = ( ordTop ‘ ≤ )
28 26 1 2 3 27 xlimbr ( 𝜑 → ( 𝐹 ~~>* 𝐴 ↔ ( 𝐴 ∈ ℝ* ∧ ∀ 𝑢 ∈ ( ordTop ‘ ≤ ) ( 𝐴𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) ) ) )
29 5 28 mpbid ( 𝜑 → ( 𝐴 ∈ ℝ* ∧ ∀ 𝑢 ∈ ( ordTop ‘ ≤ ) ( 𝐴𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) ) )
30 29 simprd ( 𝜑 → ∀ 𝑢 ∈ ( ordTop ‘ ≤ ) ( 𝐴𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) )
31 eleq2 ( 𝑢 = ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ( 𝐴𝑢𝐴 ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) )
32 eleq2 ( 𝑢 = ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ↔ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) )
33 32 anbi2d ( 𝑢 = ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ( ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ↔ ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) )
34 33 rexralbidv ( 𝑢 = ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ↔ ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) )
35 31 34 imbi12d ( 𝑢 = ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ( ( 𝐴𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) ↔ ( 𝐴 ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) ) )
36 35 rspcva ( ( ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ∈ ( ordTop ‘ ≤ ) ∧ ∀ 𝑢 ∈ ( ordTop ‘ ≤ ) ( 𝐴𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) ) → ( 𝐴 ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) )
37 25 30 36 sylancr ( 𝜑 → ( 𝐴 ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) ) )
38 24 37 mpd ( 𝜑 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ ( ( 𝐴 − 1 ) (,) ( 𝐴 + 1 ) ) ) )
39 15 38 reximddv ( 𝜑 → ∃ 𝑗𝑍 ( 𝐹 ↾ ( ℤ𝑗 ) ) : ( ℤ𝑗 ) ⟶ ℝ )