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Theorem caucvgb

Description: A function is convergent if and only if it is Cauchy. Theorem 12-5.3 of Gleason p. 180. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Feb-2014)

Ref Expression
Hypothesis caucvgb.1 ⊢ Z = ℤ ≥ M
Assertion caucvgb ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V → F ∈ dom ⁡ ⇝ ↔ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 caucvgb.1 ⊢ Z = ℤ ≥ M
2 eldm2g ⊢ F ∈ dom ⁡ ⇝ → F ∈ dom ⁡ ⇝ ↔ ∃ m F m ∈ ⇝
3 2 ibi ⊢ F ∈ dom ⁡ ⇝ → ∃ m F m ∈ ⇝
4 df-br ⊢ F ⇝ m ↔ F m ∈ ⇝
5 simpll ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ F ⇝ m → M ∈ ℤ
6 1rp ⊢ 1 ∈ ℝ +
7 6 a1i ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ F ⇝ m → 1 ∈ ℝ +
8 eqidd ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ F ⇝ m ∧ k ∈ Z → F ⁡ k = F ⁡ k
9 simpr ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ F ⇝ m → F ⇝ m
10 1 5 7 8 9 climi ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ F ⇝ m → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − m < 1
11 simpl ⊢ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − m < 1 → F ⁡ k ∈ ℂ
12 11 ralimi ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − m < 1 → ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
13 12 reximi ⊢ ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − m < 1 → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
14 10 13 syl ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ F ⇝ m → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
15 14 ex ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V → F ⇝ m → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
16 4 15 biimtrrid ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V → F m ∈ ⇝ → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
17 16 exlimdv ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V → ∃ m F m ∈ ⇝ → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
18 3 17 syl5 ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V → F ∈ dom ⁡ ⇝ → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
19 fveq2 ⊢ j = n → ℤ ≥ j = ℤ ≥ n
20 19 raleqdv ⊢ j = n → ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ↔ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
21 20 cbvrexvw ⊢ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ↔ ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
22 21 a1i ⊢ x = 1 → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ↔ ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
23 simpl ⊢ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → F ⁡ k ∈ ℂ
24 23 ralimi ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ
25 24 reximi ⊢ ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ
26 25 ralimi ⊢ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ
27 6 a1i ⊢ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → 1 ∈ ℝ +
28 22 26 27 rspcdva ⊢ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
29 28 a1i ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
30 eluzelz ⊢ n ∈ ℤ ≥ M → n ∈ ℤ
31 30 1 eleq2s ⊢ n ∈ Z → n ∈ ℤ
32 eqid ⊢ ℤ ≥ n = ℤ ≥ n
33 32 climcau ⊢ n ∈ ℤ ∧ F ∈ dom ⁡ ⇝ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − F ⁡ j < x
34 31 33 sylan ⊢ n ∈ Z ∧ F ∈ dom ⁡ ⇝ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − F ⁡ j < x
35 32 r19.29uz ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
36 35 ex ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ → ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
37 36 ralimdv ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
38 34 37 mpan9 ⊢ n ∈ Z ∧ F ∈ dom ⁡ ⇝ ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
39 38 an32s ⊢ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ∈ dom ⁡ ⇝ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
40 39 adantll ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ∈ dom ⁡ ⇝ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
41 simplrr ⊢ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ
42 fveq2 ⊢ k = m → F ⁡ k = F ⁡ m
43 42 eleq1d ⊢ k = m → F ⁡ k ∈ ℂ ↔ F ⁡ m ∈ ℂ
44 43 rspccva ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ m ∈ ℤ ≥ n → F ⁡ m ∈ ℂ
45 41 44 sylan ⊢ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x ∧ m ∈ ℤ ≥ n → F ⁡ m ∈ ℂ
46 simpr ⊢ F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → F ⁡ k − F ⁡ j < x
47 46 ralimi ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − F ⁡ j < x
48 42 fvoveq1d ⊢ k = m → F ⁡ k − F ⁡ j = F ⁡ m − F ⁡ j
49 48 breq1d ⊢ k = m → F ⁡ k − F ⁡ j < x ↔ F ⁡ m − F ⁡ j < x
50 49 cbvralvw ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k − F ⁡ j < x ↔ ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x
51 47 50 sylib ⊢ ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x
52 51 reximi ⊢ ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x
53 52 ralimi ⊢ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x
54 53 adantl ⊢ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x
55 fveq2 ⊢ j = i → ℤ ≥ j = ℤ ≥ i
56 fveq2 ⊢ j = i → F ⁡ j = F ⁡ i
57 56 oveq2d ⊢ j = i → F ⁡ m − F ⁡ j = F ⁡ m − F ⁡ i
58 57 fveq2d ⊢ j = i → F ⁡ m − F ⁡ j = F ⁡ m − F ⁡ i
59 58 breq1d ⊢ j = i → F ⁡ m − F ⁡ j < x ↔ F ⁡ m − F ⁡ i < x
60 55 59 raleqbidv ⊢ j = i → ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x ↔ ∀ m ∈ ℤ ≥ i F ⁡ m − F ⁡ i < x
61 60 cbvrexvw ⊢ ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x ↔ ∃ i ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ i F ⁡ m − F ⁡ i < x
62 breq2 ⊢ x = y → F ⁡ m − F ⁡ i < x ↔ F ⁡ m − F ⁡ i < y
63 62 rexralbidv ⊢ x = y → ∃ i ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ i F ⁡ m − F ⁡ i < x ↔ ∃ i ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ i F ⁡ m − F ⁡ i < y
64 61 63 bitrid ⊢ x = y → ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x ↔ ∃ i ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ i F ⁡ m − F ⁡ i < y
65 64 cbvralvw ⊢ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ j F ⁡ m − F ⁡ j < x ↔ ∀ y ∈ ℝ + ∃ i ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ i F ⁡ m − F ⁡ i < y
66 54 65 sylib ⊢ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → ∀ y ∈ ℝ + ∃ i ∈ ℤ ≥ n ∀ m ∈ ℤ ≥ i F ⁡ m − F ⁡ i < y
67 simpll ⊢ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → F ∈ V
68 32 45 66 67 caucvg ⊢ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → F ∈ dom ⁡ ⇝
69 68 adantlll ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ ∧ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x → F ∈ dom ⁡ ⇝
70 40 69 impbida ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ → F ∈ dom ⁡ ⇝ ↔ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
71 1 32 cau4 ⊢ n ∈ Z → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x ↔ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
72 71 ad2antrl ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x ↔ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℤ ≥ n ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
73 70 72 bitr4d ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V ∧ n ∈ Z ∧ ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ → F ∈ dom ⁡ ⇝ ↔ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
74 73 rexlimdvaa ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V → ∃ n ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ n F ⁡ k ∈ ℂ → F ∈ dom ⁡ ⇝ ↔ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x
75 18 29 74 pm5.21ndd ⊢ M ∈ ℤ ∧ F ∈ V → F ∈ dom ⁡ ⇝ ↔ ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ Z ∀ k ∈ ℤ ≥ j F ⁡ k ∈ ℂ ∧ F ⁡ k − F ⁡ j < x