Metamath Proof Explorer


Theorem stoweidlem21

Description: Once the Stone Weierstrass theorem has been proven for approximating nonnegative functions, then this lemma is used to extend the result to functions with (possibly) negative values. (Contributed by Glauco Siliprandi, 20-Apr-2017)

Ref Expression
Hypotheses stoweidlem21.1 𝑡 𝐺
stoweidlem21.2 𝑡 𝐻
stoweidlem21.3 𝑡 𝑆
stoweidlem21.4 𝑡 𝜑
stoweidlem21.5 𝐺 = ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) )
stoweidlem21.6 ( 𝜑𝐹 : 𝑇 ⟶ ℝ )
stoweidlem21.7 ( 𝜑𝑆 ∈ ℝ )
stoweidlem21.8 ( ( 𝜑𝑓𝐴𝑔𝐴 ) → ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝑓𝑡 ) + ( 𝑔𝑡 ) ) ) ∈ 𝐴 )
stoweidlem21.9 ( ( 𝜑𝑥 ∈ ℝ ) → ( 𝑡𝑇𝑥 ) ∈ 𝐴 )
stoweidlem21.10 ( 𝜑 → ∀ 𝑓𝐴 𝑓 : 𝑇 ⟶ ℝ )
stoweidlem21.11 ( 𝜑𝐻𝐴 )
stoweidlem21.12 ( 𝜑 → ∀ 𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝐻𝑡 ) − ( ( 𝐹𝑡 ) − 𝑆 ) ) ) < 𝐸 )
Assertion stoweidlem21 ( 𝜑 → ∃ 𝑓𝐴𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝑓𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 stoweidlem21.1 𝑡 𝐺
2 stoweidlem21.2 𝑡 𝐻
3 stoweidlem21.3 𝑡 𝑆
4 stoweidlem21.4 𝑡 𝜑
5 stoweidlem21.5 𝐺 = ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) )
6 stoweidlem21.6 ( 𝜑𝐹 : 𝑇 ⟶ ℝ )
7 stoweidlem21.7 ( 𝜑𝑆 ∈ ℝ )
8 stoweidlem21.8 ( ( 𝜑𝑓𝐴𝑔𝐴 ) → ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝑓𝑡 ) + ( 𝑔𝑡 ) ) ) ∈ 𝐴 )
9 stoweidlem21.9 ( ( 𝜑𝑥 ∈ ℝ ) → ( 𝑡𝑇𝑥 ) ∈ 𝐴 )
10 stoweidlem21.10 ( 𝜑 → ∀ 𝑓𝐴 𝑓 : 𝑇 ⟶ ℝ )
11 stoweidlem21.11 ( 𝜑𝐻𝐴 )
12 stoweidlem21.12 ( 𝜑 → ∀ 𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝐻𝑡 ) − ( ( 𝐹𝑡 ) − 𝑆 ) ) ) < 𝐸 )
13 fvconst2g ( ( 𝑆 ∈ ℝ ∧ 𝑡𝑇 ) → ( ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ‘ 𝑡 ) = 𝑆 )
14 7 13 sylan ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ‘ 𝑡 ) = 𝑆 )
15 14 eqcomd ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → 𝑆 = ( ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ‘ 𝑡 ) )
16 15 oveq2d ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) = ( ( 𝐻𝑡 ) + ( ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ‘ 𝑡 ) ) )
17 4 16 mpteq2da ( 𝜑 → ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) ) = ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝐻𝑡 ) + ( ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ‘ 𝑡 ) ) ) )
18 5 17 syl5eq ( 𝜑𝐺 = ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝐻𝑡 ) + ( ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ‘ 𝑡 ) ) ) )
19 fconstmpt ( 𝑇 × { 𝑆 } ) = ( 𝑠𝑇𝑆 )
20 nfcv 𝑠 𝑆
21 eqidd ( 𝑠 = 𝑡𝑆 = 𝑆 )
22 3 20 21 cbvmpt ( 𝑠𝑇𝑆 ) = ( 𝑡𝑇𝑆 )
23 19 22 eqtri ( 𝑇 × { 𝑆 } ) = ( 𝑡𝑇𝑆 )
24 3 nfeq2 𝑡 𝑥 = 𝑆
25 simpl ( ( 𝑥 = 𝑆𝑡𝑇 ) → 𝑥 = 𝑆 )
26 24 25 mpteq2da ( 𝑥 = 𝑆 → ( 𝑡𝑇𝑥 ) = ( 𝑡𝑇𝑆 ) )
27 26 eleq1d ( 𝑥 = 𝑆 → ( ( 𝑡𝑇𝑥 ) ∈ 𝐴 ↔ ( 𝑡𝑇𝑆 ) ∈ 𝐴 ) )
28 27 imbi2d ( 𝑥 = 𝑆 → ( ( 𝜑 → ( 𝑡𝑇𝑥 ) ∈ 𝐴 ) ↔ ( 𝜑 → ( 𝑡𝑇𝑆 ) ∈ 𝐴 ) ) )
29 9 expcom ( 𝑥 ∈ ℝ → ( 𝜑 → ( 𝑡𝑇𝑥 ) ∈ 𝐴 ) )
30 28 29 vtoclga ( 𝑆 ∈ ℝ → ( 𝜑 → ( 𝑡𝑇𝑆 ) ∈ 𝐴 ) )
31 7 30 mpcom ( 𝜑 → ( 𝑡𝑇𝑆 ) ∈ 𝐴 )
32 23 31 eqeltrid ( 𝜑 → ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ∈ 𝐴 )
33 nfcv 𝑡 𝑇
34 3 nfsn 𝑡 { 𝑆 }
35 33 34 nfxp 𝑡 ( 𝑇 × { 𝑆 } )
36 8 2 35 stoweidlem8 ( ( 𝜑𝐻𝐴 ∧ ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ∈ 𝐴 ) → ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝐻𝑡 ) + ( ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ‘ 𝑡 ) ) ) ∈ 𝐴 )
37 11 32 36 mpd3an23 ( 𝜑 → ( 𝑡𝑇 ↦ ( ( 𝐻𝑡 ) + ( ( 𝑇 × { 𝑆 } ) ‘ 𝑡 ) ) ) ∈ 𝐴 )
38 18 37 eqeltrd ( 𝜑𝐺𝐴 )
39 simpr ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → 𝑡𝑇 )
40 feq1 ( 𝑓 = 𝐻 → ( 𝑓 : 𝑇 ⟶ ℝ ↔ 𝐻 : 𝑇 ⟶ ℝ ) )
41 40 rspccva ( ( ∀ 𝑓𝐴 𝑓 : 𝑇 ⟶ ℝ ∧ 𝐻𝐴 ) → 𝐻 : 𝑇 ⟶ ℝ )
42 10 11 41 syl2anc ( 𝜑𝐻 : 𝑇 ⟶ ℝ )
43 42 ffvelrnda ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( 𝐻𝑡 ) ∈ ℝ )
44 7 adantr ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → 𝑆 ∈ ℝ )
45 43 44 readdcld ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) ∈ ℝ )
46 5 fvmpt2 ( ( 𝑡𝑇 ∧ ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) ∈ ℝ ) → ( 𝐺𝑡 ) = ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) )
47 39 45 46 syl2anc ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( 𝐺𝑡 ) = ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) )
48 47 oveq1d ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) = ( ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) )
49 43 recnd ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( 𝐻𝑡 ) ∈ ℂ )
50 6 ffvelrnda ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( 𝐹𝑡 ) ∈ ℝ )
51 50 recnd ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( 𝐹𝑡 ) ∈ ℂ )
52 7 recnd ( 𝜑𝑆 ∈ ℂ )
53 52 adantr ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → 𝑆 ∈ ℂ )
54 49 51 53 subsub3d ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( ( 𝐻𝑡 ) − ( ( 𝐹𝑡 ) − 𝑆 ) ) = ( ( ( 𝐻𝑡 ) + 𝑆 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) )
55 48 54 eqtr4d ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) = ( ( 𝐻𝑡 ) − ( ( 𝐹𝑡 ) − 𝑆 ) ) )
56 55 fveq2d ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) = ( abs ‘ ( ( 𝐻𝑡 ) − ( ( 𝐹𝑡 ) − 𝑆 ) ) ) )
57 12 r19.21bi ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( abs ‘ ( ( 𝐻𝑡 ) − ( ( 𝐹𝑡 ) − 𝑆 ) ) ) < 𝐸 )
58 56 57 eqbrtrd ( ( 𝜑𝑡𝑇 ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 )
59 58 ex ( 𝜑 → ( 𝑡𝑇 → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 ) )
60 4 59 ralrimi ( 𝜑 → ∀ 𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 )
61 1 nfeq2 𝑡 𝑓 = 𝐺
62 fveq1 ( 𝑓 = 𝐺 → ( 𝑓𝑡 ) = ( 𝐺𝑡 ) )
63 62 oveq1d ( 𝑓 = 𝐺 → ( ( 𝑓𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) = ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) )
64 63 fveq2d ( 𝑓 = 𝐺 → ( abs ‘ ( ( 𝑓𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) = ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) )
65 64 breq1d ( 𝑓 = 𝐺 → ( ( abs ‘ ( ( 𝑓𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 ↔ ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 ) )
66 61 65 ralbid ( 𝑓 = 𝐺 → ( ∀ 𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝑓𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 ↔ ∀ 𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 ) )
67 66 rspcev ( ( 𝐺𝐴 ∧ ∀ 𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 ) → ∃ 𝑓𝐴𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝑓𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 )
68 38 60 67 syl2anc ( 𝜑 → ∃ 𝑓𝐴𝑡𝑇 ( abs ‘ ( ( 𝑓𝑡 ) − ( 𝐹𝑡 ) ) ) < 𝐸 )