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Theorem liminfvalxr

Description: Alternate definition of liminf when F is an extended real-valued function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 2-Jan-2022)

Ref Expression
Hypotheses liminfvalxr.1 _ x F
liminfvalxr.2 φ A V
liminfvalxr.3 φ F : A *
Assertion liminfvalxr φ lim inf F = lim sup x A F x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 liminfvalxr.1 _ x F
2 liminfvalxr.2 φ A V
3 liminfvalxr.3 φ F : A *
4 nftru k
5 inss2 F k +∞ * *
6 infxrcl F k +∞ * * sup F k +∞ * * < *
7 5 6 ax-mp sup F k +∞ * * < *
8 7 a1i k sup F k +∞ * * < *
9 4 8 supminfxrrnmpt sup ran k sup F k +∞ * * < * < = sup ran k sup F k +∞ * * < * <
10 9 mptru sup ran k sup F k +∞ * * < * < = sup ran k sup F k +∞ * * < * <
11 10 a1i φ sup ran k sup F k +∞ * * < * < = sup ran k sup F k +∞ * * < * <
12 tru
13 inss2 y A F y k +∞ * *
14 13 a1i y A F y k +∞ * *
15 14 supminfxr2 sup y A F y k +∞ * * < = sup z * | z y A F y k +∞ * * <
16 12 15 ax-mp sup y A F y k +∞ * * < = sup z * | z y A F y k +∞ * * <
17 16 a1i φ sup y A F y k +∞ * * < = sup z * | z y A F y k +∞ * * <
18 elinel1 z y A F y k +∞ * z y A F y k +∞
19 nfmpt1 _ y y A F y
20 xnegex F y V
21 eqid y A F y = y A F y
22 20 21 fnmpti y A F y Fn A
23 22 a1i φ y A F y Fn A
24 23 adantr φ z y A F y k +∞ y A F y Fn A
25 simpr φ z y A F y k +∞ z y A F y k +∞
26 19 24 25 fvelimad φ z y A F y k +∞ y A k +∞ y A F y y = z
27 26 3adant2 φ z * z y A F y k +∞ y A k +∞ y A F y y = z
28 18 27 syl3an3 φ z * z y A F y k +∞ * y A k +∞ y A F y y = z
29 elinel2 z y A F y k +∞ * z *
30 elinel1 y A k +∞ y A
31 20 a1i y A k +∞ F y V
32 21 fvmpt2 y A F y V y A F y y = F y
33 30 31 32 syl2anc y A k +∞ y A F y y = F y
34 33 eqcomd y A k +∞ F y = y A F y y
35 34 adantr y A k +∞ y A F y y = z F y = y A F y y
36 simpr y A k +∞ y A F y y = z y A F y y = z
37 35 36 eqtrd y A k +∞ y A F y y = z F y = z
38 37 adantll φ z * y A k +∞ y A F y y = z F y = z
39 eqcom F y = z z = F y
40 39 biimpi F y = z z = F y
41 40 adantl φ z * y A k +∞ F y = z z = F y
42 simplr φ z * y A k +∞ z *
43 3 adantr φ y A k +∞ F : A *
44 30 adantl φ y A k +∞ y A
45 43 44 ffvelrnd φ y A k +∞ F y *
46 45 adantlr φ z * y A k +∞ F y *
47 xneg11 z * F y * z = F y z = F y
48 42 46 47 syl2anc φ z * y A k +∞ z = F y z = F y
49 48 adantr φ z * y A k +∞ F y = z z = F y z = F y
50 41 49 mpbid φ z * y A k +∞ F y = z z = F y
51 3 ffund φ Fun F
52 51 30 anim12i φ y A k +∞ Fun F y A
53 52 simpld φ y A k +∞ Fun F
54 3 fdmd φ dom F = A
55 54 eqcomd φ A = dom F
56 55 adantr φ y A k +∞ A = dom F
57 44 56 eleqtrd φ y A k +∞ y dom F
58 53 57 jca φ y A k +∞ Fun F y dom F
59 elinel2 y A k +∞ y k +∞
60 59 adantl φ y A k +∞ y k +∞
61 funfvima Fun F y dom F y k +∞ F y F k +∞
62 58 60 61 sylc φ y A k +∞ F y F k +∞
63 62 ad4ant13 φ z * y A k +∞ F y = z F y F k +∞
64 50 63 eqeltrd φ z * y A k +∞ F y = z z F k +∞
65 38 64 syldan φ z * y A k +∞ y A F y y = z z F k +∞
66 65 rexlimdva2 φ z * y A k +∞ y A F y y = z z F k +∞
67 66 3adant3 φ z * z * y A k +∞ y A F y y = z z F k +∞
68 29 67 syl3an3 φ z * z y A F y k +∞ * y A k +∞ y A F y y = z z F k +∞
69 28 68 mpd φ z * z y A F y k +∞ * z F k +∞
70 69 rabssdv φ z * | z y A F y k +∞ * F k +∞
71 ssrab2 z * | z y A F y k +∞ * *
72 71 a1i φ z * | z y A F y k +∞ * *
73 70 72 ssind φ z * | z y A F y k +∞ * F k +∞ *
74 5 a1i φ F k +∞ * *
75 3 ffnd φ F Fn A
76 75 adantr φ z F k +∞ * F Fn A
77 elinel1 z F k +∞ * z F k +∞
78 77 adantl φ z F k +∞ * z F k +∞
79 fvelima2 F Fn A z F k +∞ y A k +∞ F y = z
80 76 78 79 syl2anc φ z F k +∞ * y A k +∞ F y = z
81 elinel2 z F k +∞ * z *
82 eqcom F y = z z = F y
83 82 biimpi F y = z z = F y
84 83 adantl z * F y = z z = F y
85 84 xnegeqd z * F y = z z = F y
86 simpl z * F y = z z *
87 84 86 eqeltrrd z * F y = z F y *
88 86 87 47 syl2anc z * F y = z z = F y z = F y
89 85 88 mpbid z * F y = z z = F y
90 89 xnegeqd z * F y = z z = F y
91 90 ex z * F y = z z = F y
92 91 reximdv z * y A k +∞ F y = z y A k +∞ z = F y
93 81 92 syl z F k +∞ * y A k +∞ F y = z y A k +∞ z = F y
94 93 adantl φ z F k +∞ * y A k +∞ F y = z y A k +∞ z = F y
95 80 94 mpd φ z F k +∞ * y A k +∞ z = F y
96 xnegex z V
97 elmptima z V z y A F y k +∞ y A k +∞ z = F y
98 96 97 ax-mp z y A F y k +∞ y A k +∞ z = F y
99 95 98 sylibr φ z F k +∞ * z y A F y k +∞
100 74 sselda φ z F k +∞ * z *
101 100 xnegcld φ z F k +∞ * z *
102 99 101 elind φ z F k +∞ * z y A F y k +∞ *
103 74 102 ssrabdv φ F k +∞ * z * | z y A F y k +∞ *
104 73 103 eqssd φ z * | z y A F y k +∞ * = F k +∞ *
105 104 infeq1d φ sup z * | z y A F y k +∞ * * < = sup F k +∞ * * <
106 105 xnegeqd φ sup z * | z y A F y k +∞ * * < = sup F k +∞ * * <
107 17 106 eqtr2d φ sup F k +∞ * * < = sup y A F y k +∞ * * <
108 107 mpteq2dv φ k sup F k +∞ * * < = k sup y A F y k +∞ * * <
109 108 rneqd φ ran k sup F k +∞ * * < = ran k sup y A F y k +∞ * * <
110 109 infeq1d φ sup ran k sup F k +∞ * * < * < = sup ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
111 110 xnegeqd φ sup ran k sup F k +∞ * * < * < = sup ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
112 11 111 eqtrd φ sup ran k sup F k +∞ * * < * < = sup ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
113 3 2 fexd φ F V
114 eqid k sup F k +∞ * * < = k sup F k +∞ * * <
115 114 liminfval F V lim inf F = sup ran k sup F k +∞ * * < * <
116 113 115 syl φ lim inf F = sup ran k sup F k +∞ * * < * <
117 2 mptexd φ y A F y V
118 eqid k sup y A F y k +∞ * * < = k sup y A F y k +∞ * * <
119 118 limsupval y A F y V lim sup y A F y = sup ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
120 117 119 syl φ lim sup y A F y = sup ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
121 120 xnegeqd φ lim sup y A F y = sup ran k sup y A F y k +∞ * * < * <
122 112 116 121 3eqtr4d φ lim inf F = lim sup y A F y
123 nfcv _ x y
124 1 123 nffv _ x F y
125 124 nfxneg _ x F y
126 nfcv _ y F x
127 fveq2 y = x F y = F x
128 127 xnegeqd y = x F y = F x
129 125 126 128 cbvmpt y A F y = x A F x
130 129 fveq2i lim sup y A F y = lim sup x A F x
131 130 xnegeqi lim sup y A F y = lim sup x A F x
132 131 a1i φ lim sup y A F y = lim sup x A F x
133 122 132 eqtrd φ lim inf F = lim sup x A F x