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Theorem lmcls

Description: Any convergent sequence of points in a subset of a topological space converges to a point in the closure of the subset. (Contributed by Mario Carneiro, 30-Dec-2013) (Revised by Mario Carneiro, 1-May-2014)

Ref Expression
Hypotheses lmff.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
lmff.3 ( 𝜑𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) )
lmff.4 ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
lmcls.5 ( 𝜑𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝑃 )
lmcls.7 ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑆 )
lmcls.8 ( 𝜑𝑆𝑋 )
Assertion lmcls ( 𝜑𝑃 ∈ ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ 𝑆 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lmff.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
2 lmff.3 ( 𝜑𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) )
3 lmff.4 ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
4 lmcls.5 ( 𝜑𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝑃 )
5 lmcls.7 ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑆 )
6 lmcls.8 ( 𝜑𝑆𝑋 )
7 2 1 3 lmbr2 ( 𝜑 → ( 𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝑃 ↔ ( 𝐹 ∈ ( 𝑋pm ℂ ) ∧ 𝑃𝑋 ∧ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑃𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) ) ) )
8 4 7 mpbid ( 𝜑 → ( 𝐹 ∈ ( 𝑋pm ℂ ) ∧ 𝑃𝑋 ∧ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑃𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) ) )
9 8 simp3d ( 𝜑 → ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑃𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) )
10 1 r19.2uz ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) → ∃ 𝑘𝑍 ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) )
11 inelcm ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑆 ) → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ )
12 11 a1i ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑆 ) → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) )
13 5 12 mpan2d ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) )
14 13 adantld ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) )
15 14 rexlimdva ( 𝜑 → ( ∃ 𝑘𝑍 ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) )
16 10 15 syl5 ( 𝜑 → ( ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) )
17 16 imim2d ( 𝜑 → ( ( 𝑃𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) → ( 𝑃𝑢 → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) ) )
18 17 ralimdv ( 𝜑 → ( ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑃𝑢 → ∃ 𝑗𝑍𝑘 ∈ ( ℤ𝑗 ) ( 𝑘 ∈ dom 𝐹 ∧ ( 𝐹𝑘 ) ∈ 𝑢 ) ) → ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑃𝑢 → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) ) )
19 9 18 mpd ( 𝜑 → ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑃𝑢 → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) )
20 topontop ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → 𝐽 ∈ Top )
21 2 20 syl ( 𝜑𝐽 ∈ Top )
22 toponuni ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) → 𝑋 = 𝐽 )
23 2 22 syl ( 𝜑𝑋 = 𝐽 )
24 6 23 sseqtrd ( 𝜑𝑆 𝐽 )
25 lmcl ( ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝑋 ) ∧ 𝐹 ( ⇝𝑡𝐽 ) 𝑃 ) → 𝑃𝑋 )
26 2 4 25 syl2anc ( 𝜑𝑃𝑋 )
27 26 23 eleqtrd ( 𝜑𝑃 𝐽 )
28 eqid 𝐽 = 𝐽
29 28 elcls ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ 𝑆 𝐽𝑃 𝐽 ) → ( 𝑃 ∈ ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ 𝑆 ) ↔ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑃𝑢 → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) ) )
30 21 24 27 29 syl3anc ( 𝜑 → ( 𝑃 ∈ ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ 𝑆 ) ↔ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑃𝑢 → ( 𝑢𝑆 ) ≠ ∅ ) ) )
31 19 30 mpbird ( 𝜑𝑃 ∈ ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ 𝑆 ) )