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Theorem caurcvgr

Description: A Cauchy sequence of real numbers converges to its limit supremum. The third hypothesis specifies that F is a Cauchy sequence. (Contributed by Mario Carneiro, 7-May-2016) (Revised by AV, 12-Sep-2020)

Ref Expression
Hypotheses caurcvgr.1 ⊢ φ → A ⊆ ℝ
caurcvgr.2 ⊢ φ → F : A ⟶ ℝ
caurcvgr.3 ⊢ φ → sup A ℝ * < = +∞
caurcvgr.4 ⊢ φ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ A ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − F ⁡ j < x
Assertion caurcvgr ⊢ φ → F ⇝ℝ lim sup ⁡ F

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 caurcvgr.1 ⊢ φ → A ⊆ ℝ
2 caurcvgr.2 ⊢ φ → F : A ⟶ ℝ
3 caurcvgr.3 ⊢ φ → sup A ℝ * < = +∞
4 caurcvgr.4 ⊢ φ → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ A ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − F ⁡ j < x
5 1rp ⊢ 1 ∈ ℝ +
6 5 a1i ⊢ φ → 1 ∈ ℝ +
7 1 2 3 4 6 caucvgrlem ⊢ φ → ∃ j ∈ A lim sup ⁡ F ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⋅ 1
8 simpl ⊢ lim sup ⁡ F ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⋅ 1 → lim sup ⁡ F ∈ ℝ
9 8 rexlimivw ⊢ ∃ j ∈ A lim sup ⁡ F ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⋅ 1 → lim sup ⁡ F ∈ ℝ
10 7 9 syl ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℝ
11 10 recnd ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℂ
12 1 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → A ⊆ ℝ
13 2 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → F : A ⟶ ℝ
14 3 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → sup A ℝ * < = +∞
15 4 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → ∀ x ∈ ℝ + ∃ j ∈ A ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − F ⁡ j < x
16 simpr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → y ∈ ℝ +
17 3rp ⊢ 3 ∈ ℝ +
18 rpdivcl ⊢ y ∈ ℝ + ∧ 3 ∈ ℝ + → y 3 ∈ ℝ +
19 16 17 18 sylancl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → y 3 ∈ ℝ +
20 12 13 14 15 19 caucvgrlem ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → ∃ j ∈ A lim sup ⁡ F ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3
21 simpr ⊢ lim sup ⁡ F ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3 → ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3
22 21 reximi ⊢ ∃ j ∈ A lim sup ⁡ F ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3 → ∃ j ∈ A ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3
23 20 22 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → ∃ j ∈ A ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3
24 ssrexv ⊢ A ⊆ ℝ → ∃ j ∈ A ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3 → ∃ j ∈ ℝ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3
25 12 23 24 sylc ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → ∃ j ∈ ℝ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3
26 rpcn ⊢ y ∈ ℝ + → y ∈ ℂ
27 26 adantl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → y ∈ ℂ
28 3cn ⊢ 3 ∈ ℂ
29 28 a1i ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → 3 ∈ ℂ
30 3ne0 ⊢ 3 ≠ 0
31 30 a1i ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → 3 ≠ 0
32 27 29 31 divcan2d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → 3 ⁢ y 3 = y
33 32 breq2d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3 ↔ F ⁡ k − lim sup ⁡ F < y
34 33 imbi2d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3 ↔ j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < y
35 34 rexralbidv ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → ∃ j ∈ ℝ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < 3 ⁢ y 3 ↔ ∃ j ∈ ℝ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < y
36 25 35 mpbid ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ + → ∃ j ∈ ℝ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < y
37 36 ralrimiva ⊢ φ → ∀ y ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℝ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < y
38 ax-resscn ⊢ ℝ ⊆ ℂ
39 fss ⊢ F : A ⟶ ℝ ∧ ℝ ⊆ ℂ → F : A ⟶ ℂ
40 2 38 39 sylancl ⊢ φ → F : A ⟶ ℂ
41 eqidd ⊢ φ ∧ k ∈ A → F ⁡ k = F ⁡ k
42 40 1 41 rlim ⊢ φ → F ⇝ℝ lim sup ⁡ F ↔ lim sup ⁡ F ∈ ℂ ∧ ∀ y ∈ ℝ + ∃ j ∈ ℝ ∀ k ∈ A j ≤ k → F ⁡ k − lim sup ⁡ F < y
43 11 37 42 mpbir2and ⊢ φ → F ⇝ℝ lim sup ⁡ F