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Theorem climcau

Description: A converging sequence of complex numbers is a Cauchy sequence. Theorem 12-5.3 of Gleason p. 180 (necessity part). (Contributed by NM, 16-Apr-2005) (Revised by Mario Carneiro, 26-Apr-2014)

Ref Expression
Hypothesis climcau.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
Assertion climcau ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹 ∈ dom ⇝ ) → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 climcau.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
2 df-br ( 𝐹𝑦 ↔ ⟨ 𝐹 , 𝑦 ⟩ ∈ ⇝ )
3 simpll ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → 𝑀 ∈ ℤ )
4 rphalfcl ( 𝑥 ∈ ℝ+ → ( 𝑥 / 2 ) ∈ ℝ+ )
5 4 adantl ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ( 𝑥 / 2 ) ∈ ℝ+ )
6 eqidd ( ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑘𝑍 ) → ( 𝐹𝑘 ) = ( 𝐹𝑘 ) )
7 simplr ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → 𝐹𝑦 )
8 1 3 5 6 7 climi ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) )
9 eluzelz ( 𝑗 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑗 ∈ ℤ )
10 uzid ( 𝑗 ∈ ℤ → 𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) )
11 9 10 syl ( 𝑗 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) )
12 11 1 eleq2s ( 𝑗𝑍𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) )
13 12 adantl ( ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑗𝑍 ) → 𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) )
14 fveq2 ( 𝑘 = 𝑗 → ( 𝐹𝑘 ) = ( 𝐹𝑗 ) )
15 14 eleq1d ( 𝑘 = 𝑗 → ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ↔ ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ) )
16 14 fvoveq1d ( 𝑘 = 𝑗 → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) = ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) )
17 16 breq1d ( 𝑘 = 𝑗 → ( ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ↔ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) )
18 15 17 anbi12d ( 𝑘 = 𝑗 → ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ↔ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) )
19 18 rspcv ( 𝑗 ∈ ( ℤ𝑗 ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) )
20 13 19 syl ( ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑗𝑍 ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) )
21 rpre ( 𝑥 ∈ ℝ+𝑥 ∈ ℝ )
22 21 ad2antlr ( ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑗𝑍 ) → 𝑥 ∈ ℝ )
23 simpllr ( ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑗𝑍 ) → 𝐹𝑦 )
24 climcl ( 𝐹𝑦𝑦 ∈ ℂ )
25 23 24 syl ( ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑗𝑍 ) → 𝑦 ∈ ℂ )
26 simprl ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
27 simplrl ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ )
28 simpllr ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → 𝑦 ∈ ℂ )
29 simplll ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → 𝑥 ∈ ℝ )
30 simprr ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) )
31 28 27 abssubd ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( abs ‘ ( 𝑦 − ( 𝐹𝑗 ) ) ) = ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) )
32 simplrr ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) )
33 31 32 eqbrtrd ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( abs ‘ ( 𝑦 − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < ( 𝑥 / 2 ) )
34 26 27 28 29 30 33 abs3lemd ( ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) ∧ ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )
35 34 ex ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
36 35 ralimdv ( ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) ∧ ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
37 36 ex ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) → ( ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ) )
38 37 com23 ( ( 𝑥 ∈ ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℂ ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ( ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ) )
39 22 25 38 syl2anc ( ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑗𝑍 ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ( ( ( 𝐹𝑗 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑗 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) ) )
40 20 39 mpdd ( ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑗𝑍 ) → ( ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ∀ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
41 40 reximdva ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ ∧ ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − 𝑦 ) ) < ( 𝑥 / 2 ) ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
42 8 41 mpd ( ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) ∧ 𝑥 ∈ ℝ+ ) → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )
43 42 ralrimiva ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹𝑦 ) → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )
44 43 ex ( 𝑀 ∈ ℤ → ( 𝐹𝑦 → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
45 2 44 syl5bir ( 𝑀 ∈ ℤ → ( ⟨ 𝐹 , 𝑦 ⟩ ∈ ⇝ → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
46 45 exlimdv ( 𝑀 ∈ ℤ → ( ∃ 𝑦𝐹 , 𝑦 ⟩ ∈ ⇝ → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 ) )
47 eldm2g ( 𝐹 ∈ dom ⇝ → ( 𝐹 ∈ dom ⇝ ↔ ∃ 𝑦𝐹 , 𝑦 ⟩ ∈ ⇝ ) )
48 47 ibi ( 𝐹 ∈ dom ⇝ → ∃ 𝑦𝐹 , 𝑦 ⟩ ∈ ⇝ )
49 46 48 impel ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝐹 ∈ dom ⇝ ) → ∀ 𝑥 ∈ ℝ+𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( abs ‘ ( ( 𝐹𝑘 ) − ( 𝐹𝑗 ) ) ) < 𝑥 )