Metamath Proof Explorer


Theorem liminfreuzlem

Description: Given a function on the reals, its inferior limit is real if and only if two condition holds: 1. there is a real number that is greater than or equal to the function, infinitely often; 2. there is a real number that is smaller than or equal to the function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 2-Jan-2022)

Ref Expression
Hypotheses liminfreuzlem.1 ⊢ Ⅎ _ j F
liminfreuzlem.2 ⊢ φ → M ∈ ℤ
liminfreuzlem.3 ⊢ Z = ℤ ≥ M
liminfreuzlem.4 ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ
Assertion liminfreuzlem ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 liminfreuzlem.1 ⊢ Ⅎ _ j F
2 liminfreuzlem.2 ⊢ φ → M ∈ ℤ
3 liminfreuzlem.3 ⊢ Z = ℤ ≥ M
4 liminfreuzlem.4 ⊢ φ → F : Z ⟶ ℝ
5 nfv ⊢ Ⅎ j φ
6 5 1 2 3 4 liminfvaluz4 ⊢ φ → lim inf ⁡ F = − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j
7 6 eleq1d ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ ↔ − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ
8 3 fvexi ⊢ Z ∈ V
9 8 mptex ⊢ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ V
10 limsupcl ⊢ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ V → lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ *
11 9 10 ax-mp ⊢ lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ *
12 11 a1i ⊢ φ → lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ *
13 12 xnegred ⊢ φ → lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ ↔ − lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ
14 7 13 bitr4d ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ ↔ lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ
15 4 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ j ∈ Z → F ⁡ j ∈ ℝ
16 15 renegcld ⊢ φ ∧ j ∈ Z → − F ⁡ j ∈ ℝ
17 5 2 3 16 limsupreuzmpt ⊢ φ → lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ ↔ ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j ∧ ∃ y ∈ ℝ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y
18 renegcl ⊢ y ∈ ℝ → − y ∈ ℝ
19 18 ad2antlr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j → − y ∈ ℝ
20 simpllr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → y ∈ ℝ
21 4 ad2antrr ⊢ φ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → F : Z ⟶ ℝ
22 3 uztrn2 ⊢ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → j ∈ Z
23 22 adantll ⊢ φ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → j ∈ Z
24 21 23 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → F ⁡ j ∈ ℝ
25 24 adantllr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → F ⁡ j ∈ ℝ
26 20 25 leneg2d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → y ≤ − F ⁡ j ↔ F ⁡ j ≤ − y
27 26 rexbidva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ k ∈ Z → ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j ↔ ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ − y
28 27 ralbidva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j ↔ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ − y
29 28 biimpd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ − y
30 29 imp ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ − y
31 breq2 ⊢ x = − y → F ⁡ j ≤ x ↔ F ⁡ j ≤ − y
32 31 rexbidv ⊢ x = − y → ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x ↔ ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ − y
33 32 ralbidv ⊢ x = − y → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x ↔ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ − y
34 33 rspcev ⊢ − y ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ − y → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x
35 19 30 34 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x
36 35 rexlimdva2 ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x
37 renegcl ⊢ x ∈ ℝ → − x ∈ ℝ
38 37 ad2antlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x → − x ∈ ℝ
39 24 adantllr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → F ⁡ j ∈ ℝ
40 simpllr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → x ∈ ℝ
41 39 40 lenegd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ k ∈ Z ∧ j ∈ ℤ ≥ k → F ⁡ j ≤ x ↔ − x ≤ − F ⁡ j
42 41 rexbidva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ k ∈ Z → ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x ↔ ∃ j ∈ ℤ ≥ k − x ≤ − F ⁡ j
43 42 ralbidva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x ↔ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k − x ≤ − F ⁡ j
44 43 biimpd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k − x ≤ − F ⁡ j
45 44 imp ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k − x ≤ − F ⁡ j
46 breq1 ⊢ y = − x → y ≤ − F ⁡ j ↔ − x ≤ − F ⁡ j
47 46 rexbidv ⊢ y = − x → ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j ↔ ∃ j ∈ ℤ ≥ k − x ≤ − F ⁡ j
48 47 ralbidv ⊢ y = − x → ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j ↔ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k − x ≤ − F ⁡ j
49 48 rspcev ⊢ − x ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k − x ≤ − F ⁡ j → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j
50 38 45 49 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j
51 50 rexlimdva2 ⊢ φ → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j
52 36 51 impbid ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x
53 18 ad2antlr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y → − y ∈ ℝ
54 15 adantlr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z → F ⁡ j ∈ ℝ
55 simplr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z → y ∈ ℝ
56 54 55 leneg3d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ Z → − F ⁡ j ≤ y ↔ − y ≤ F ⁡ j
57 56 ralbidva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y ↔ ∀ j ∈ Z − y ≤ F ⁡ j
58 57 biimpd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y → ∀ j ∈ Z − y ≤ F ⁡ j
59 58 imp ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y → ∀ j ∈ Z − y ≤ F ⁡ j
60 breq1 ⊢ x = − y → x ≤ F ⁡ j ↔ − y ≤ F ⁡ j
61 60 ralbidv ⊢ x = − y → ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j ↔ ∀ j ∈ Z − y ≤ F ⁡ j
62 61 rspcev ⊢ − y ∈ ℝ ∧ ∀ j ∈ Z − y ≤ F ⁡ j → ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j
63 53 59 62 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y → ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j
64 63 rexlimdva2 ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y → ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j
65 37 ad2antlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j → − x ∈ ℝ
66 simplr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ Z → x ∈ ℝ
67 15 adantlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ Z → F ⁡ j ∈ ℝ
68 66 67 lenegd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ Z → x ≤ F ⁡ j ↔ − F ⁡ j ≤ − x
69 68 ralbidva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j ↔ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ − x
70 69 biimpd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j → ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ − x
71 70 imp ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j → ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ − x
72 brralrspcev ⊢ − x ∈ ℝ ∧ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ − x → ∃ y ∈ ℝ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y
73 65 71 72 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j → ∃ y ∈ ℝ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y
74 73 rexlimdva2 ⊢ φ → ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j → ∃ y ∈ ℝ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y
75 64 74 impbid ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j
76 52 75 anbi12d ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k y ≤ − F ⁡ j ∧ ∃ y ∈ ℝ ∀ j ∈ Z − F ⁡ j ≤ y ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j
77 17 76 bitrd ⊢ φ → lim sup ⁡ j ∈ Z ⟼ − F ⁡ j ∈ ℝ ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j
78 14 77 bitrd ⊢ φ → lim inf ⁡ F ∈ ℝ ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ Z ∃ j ∈ ℤ ≥ k F ⁡ j ≤ x ∧ ∃ x ∈ ℝ ∀ j ∈ Z x ≤ F ⁡ j