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Theorem limsupre3lem

Description: Given a function on the extended reals, its supremum limit is real if and only if two condition holds: 1. there is a real number that is less than or equal to the function, at some point, in any upper part of the reals; 2. there is a real number that is eventually greater than or equal to the function. (Contributed by Glauco Siliprandi, 23-Oct-2021)

Ref Expression
Hypotheses limsupre3lem.1 ⊢ Ⅎ _ j F
limsupre3lem.2 ⊢ φ → A ⊆ ℝ
limsupre3lem.3 ⊢ φ → F : A ⟶ ℝ *
Assertion limsupre3lem ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℝ ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j ∧ ∃ x ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 limsupre3lem.1 ⊢ Ⅎ _ j F
2 limsupre3lem.2 ⊢ φ → A ⊆ ℝ
3 limsupre3lem.3 ⊢ φ → F : A ⟶ ℝ *
4 1 2 3 limsupre2 ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℝ ↔ ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j ∧ ∃ y ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y
5 simp2 ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → y ∈ ℝ
6 nfv ⊢ Ⅎ j φ ∧ y ∈ ℝ
7 simp3l ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → k ≤ j
8 simp1r ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ y < F ⁡ j → y ∈ ℝ
9 8 rexrd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ y < F ⁡ j → y ∈ ℝ *
10 3 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ j ∈ A → F ⁡ j ∈ ℝ *
11 10 adantlr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A → F ⁡ j ∈ ℝ *
12 11 3adant3 ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ y < F ⁡ j → F ⁡ j ∈ ℝ *
13 simp3 ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ y < F ⁡ j → y < F ⁡ j
14 9 12 13 xrltled ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ y < F ⁡ j → y ≤ F ⁡ j
15 14 3adant3l ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → y ≤ F ⁡ j
16 7 15 jca ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j
17 16 3exp ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → j ∈ A → k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j
18 6 17 reximdai ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j
19 18 ralimdv ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j
20 19 3impia ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j
21 breq1 ⊢ x = y → x ≤ F ⁡ j ↔ y ≤ F ⁡ j
22 21 anbi2d ⊢ x = y → k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j ↔ k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j
23 22 rexbidv ⊢ x = y → ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j ↔ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j
24 23 ralbidv ⊢ x = y → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j ↔ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j
25 24 rspcev ⊢ y ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y ≤ F ⁡ j → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j
26 5 20 25 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j
27 26 3exp ⊢ φ → y ∈ ℝ → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j
28 27 rexlimdv ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j
29 peano2rem ⊢ x ∈ ℝ → x − 1 ∈ ℝ
30 29 ad2antlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → x − 1 ∈ ℝ
31 nfv ⊢ Ⅎ j φ ∧ x ∈ ℝ
32 simp3l ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → k ≤ j
33 simp1r ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → x ∈ ℝ
34 29 rexrd ⊢ x ∈ ℝ → x − 1 ∈ ℝ *
35 33 34 syl ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → x − 1 ∈ ℝ *
36 33 rexrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → x ∈ ℝ *
37 10 adantlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A → F ⁡ j ∈ ℝ *
38 37 3adant3 ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → F ⁡ j ∈ ℝ *
39 33 ltm1d ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → x − 1 < x
40 simp3r ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → x ≤ F ⁡ j
41 35 36 38 39 40 xrltletrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → x − 1 < F ⁡ j
42 32 41 jca ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j
43 42 3exp ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → j ∈ A → k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j
44 31 43 reximdai ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j
45 44 ralimdv ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j
46 45 imp ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j
47 breq1 ⊢ y = x − 1 → y < F ⁡ j ↔ x − 1 < F ⁡ j
48 47 anbi2d ⊢ y = x − 1 → k ≤ j ∧ y < F ⁡ j ↔ k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j
49 48 rexbidv ⊢ y = x − 1 → ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j ↔ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j
50 49 ralbidv ⊢ y = x − 1 → ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j ↔ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j
51 50 rspcev ⊢ x − 1 ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x − 1 < F ⁡ j → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j
52 30 46 51 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j
53 52 rexlimdva2 ⊢ φ → ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j
54 28 53 impbid ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j
55 simplr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y → y ∈ ℝ
56 11 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j < y → F ⁡ j ∈ ℝ *
57 rexr ⊢ y ∈ ℝ → y ∈ ℝ *
58 57 ad3antlr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j < y → y ∈ ℝ *
59 simpr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j < y → F ⁡ j < y
60 56 58 59 xrltled ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j < y → F ⁡ j ≤ y
61 60 ex ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A → F ⁡ j < y → F ⁡ j ≤ y
62 61 imim2d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ j ∈ A → k ≤ j → F ⁡ j < y → k ≤ j → F ⁡ j ≤ y
63 62 ralimdva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y → ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ y
64 63 reximdv ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y → ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ y
65 64 imp ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y → ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ y
66 breq2 ⊢ x = y → F ⁡ j ≤ x ↔ F ⁡ j ≤ y
67 66 imbi2d ⊢ x = y → k ≤ j → F ⁡ j ≤ x ↔ k ≤ j → F ⁡ j ≤ y
68 67 ralbidv ⊢ x = y → ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x ↔ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ y
69 68 rexbidv ⊢ x = y → ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x ↔ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ y
70 69 rspcev ⊢ y ∈ ℝ ∧ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ y → ∃ x ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x
71 55 65 70 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y → ∃ x ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x
72 71 rexlimdva2 ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y → ∃ x ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x
73 peano2re ⊢ x ∈ ℝ → x + 1 ∈ ℝ
74 73 ad2antlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x → x + 1 ∈ ℝ
75 37 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j ≤ x → F ⁡ j ∈ ℝ *
76 rexr ⊢ x ∈ ℝ → x ∈ ℝ *
77 76 ad3antlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j ≤ x → x ∈ ℝ *
78 73 rexrd ⊢ x ∈ ℝ → x + 1 ∈ ℝ *
79 78 ad3antlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j ≤ x → x + 1 ∈ ℝ *
80 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j ≤ x → F ⁡ j ≤ x
81 ltp1 ⊢ x ∈ ℝ → x < x + 1
82 81 ad3antlr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j ≤ x → x < x + 1
83 75 77 79 80 82 xrlelttrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A ∧ F ⁡ j ≤ x → F ⁡ j < x + 1
84 83 ex ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A → F ⁡ j ≤ x → F ⁡ j < x + 1
85 84 imim2d ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ j ∈ A → k ≤ j → F ⁡ j ≤ x → k ≤ j → F ⁡ j < x + 1
86 85 ralimdva ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x → ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < x + 1
87 86 reximdv ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x → ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < x + 1
88 87 imp ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x → ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < x + 1
89 breq2 ⊢ y = x + 1 → F ⁡ j < y ↔ F ⁡ j < x + 1
90 89 imbi2d ⊢ y = x + 1 → k ≤ j → F ⁡ j < y ↔ k ≤ j → F ⁡ j < x + 1
91 90 ralbidv ⊢ y = x + 1 → ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y ↔ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < x + 1
92 91 rexbidv ⊢ y = x + 1 → ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y ↔ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < x + 1
93 92 rspcev ⊢ x + 1 ∈ ℝ ∧ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < x + 1 → ∃ y ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y
94 74 88 93 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x → ∃ y ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y
95 94 rexlimdva2 ⊢ φ → ∃ x ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x → ∃ y ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y
96 72 95 impbid ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y ↔ ∃ x ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x
97 54 96 anbi12d ⊢ φ → ∃ y ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ y < F ⁡ j ∧ ∃ y ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j < y ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j ∧ ∃ x ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x
98 4 97 bitrd ⊢ φ → lim sup ⁡ F ∈ ℝ ↔ ∃ x ∈ ℝ ∀ k ∈ ℝ ∃ j ∈ A k ≤ j ∧ x ≤ F ⁡ j ∧ ∃ x ∈ ℝ ∃ k ∈ ℝ ∀ j ∈ A k ≤ j → F ⁡ j ≤ x