Metamath Proof Explorer < Previous   Next > Nearby theorems Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  qbtwnxr Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem qbtwnxr 12236
 Description: The rational numbers are dense in ℝ*: any two extended real numbers have a rational between them. (Contributed by NM, 6-Feb-2007.) (Proof shortened by Mario Carneiro, 23-Aug-2015.)
Assertion
Ref Expression
qbtwnxr ((𝐴 ∈ ℝ*𝐵 ∈ ℝ*𝐴 < 𝐵) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵))
Distinct variable groups:   𝑥,𝐴   𝑥,𝐵

Proof of Theorem qbtwnxr
StepHypRef Expression
1 elxr 12155 . . 3 (𝐴 ∈ ℝ* ↔ (𝐴 ∈ ℝ ∨ 𝐴 = +∞ ∨ 𝐴 = -∞))
2 elxr 12155 . . . . 5 (𝐵 ∈ ℝ* ↔ (𝐵 ∈ ℝ ∨ 𝐵 = +∞ ∨ 𝐵 = -∞))
3 qbtwnre 12235 . . . . . . 7 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 ∈ ℝ ∧ 𝐴 < 𝐵) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵))
433expia 1114 . . . . . 6 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
5 simpl 468 . . . . . . . . 9 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) → 𝐴 ∈ ℝ)
6 peano2re 10411 . . . . . . . . . 10 (𝐴 ∈ ℝ → (𝐴 + 1) ∈ ℝ)
76adantr 466 . . . . . . . . 9 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) → (𝐴 + 1) ∈ ℝ)
8 ltp1 11063 . . . . . . . . . 10 (𝐴 ∈ ℝ → 𝐴 < (𝐴 + 1))
98adantr 466 . . . . . . . . 9 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) → 𝐴 < (𝐴 + 1))
10 qbtwnre 12235 . . . . . . . . 9 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝐴 + 1) ∈ ℝ ∧ 𝐴 < (𝐴 + 1)) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < (𝐴 + 1)))
115, 7, 9, 10syl3anc 1476 . . . . . . . 8 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < (𝐴 + 1)))
12 qre 11996 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 ∈ ℚ → 𝑥 ∈ ℝ)
13 ltpnf 12159 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 ∈ ℝ → 𝑥 < +∞)
1412, 13syl 17 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 ∈ ℚ → 𝑥 < +∞)
1514adantl 467 . . . . . . . . . . . 12 (((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → 𝑥 < +∞)
16 simplr 752 . . . . . . . . . . . 12 (((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → 𝐵 = +∞)
1715, 16breqtrrd 4814 . . . . . . . . . . 11 (((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → 𝑥 < 𝐵)
1817a1d 25 . . . . . . . . . 10 (((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → (𝑥 < (𝐴 + 1) → 𝑥 < 𝐵))
1918anim2d 599 . . . . . . . . 9 (((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → ((𝐴 < 𝑥𝑥 < (𝐴 + 1)) → (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
2019reximdva 3165 . . . . . . . 8 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) → (∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < (𝐴 + 1)) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
2111, 20mpd 15 . . . . . . 7 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵))
2221a1d 25 . . . . . 6 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = +∞) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
23 rexr 10287 . . . . . . 7 (𝐴 ∈ ℝ → 𝐴 ∈ ℝ*)
24 breq2 4790 . . . . . . . . 9 (𝐵 = -∞ → (𝐴 < 𝐵𝐴 < -∞))
2524adantl 467 . . . . . . . 8 ((𝐴 ∈ ℝ*𝐵 = -∞) → (𝐴 < 𝐵𝐴 < -∞))
26 nltmnf 12168 . . . . . . . . . 10 (𝐴 ∈ ℝ* → ¬ 𝐴 < -∞)
2726adantr 466 . . . . . . . . 9 ((𝐴 ∈ ℝ*𝐵 = -∞) → ¬ 𝐴 < -∞)
2827pm2.21d 119 . . . . . . . 8 ((𝐴 ∈ ℝ*𝐵 = -∞) → (𝐴 < -∞ → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
2925, 28sylbid 230 . . . . . . 7 ((𝐴 ∈ ℝ*𝐵 = -∞) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
3023, 29sylan 569 . . . . . 6 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 = -∞) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
314, 22, 303jaodan 1542 . . . . 5 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝐵 ∈ ℝ ∨ 𝐵 = +∞ ∨ 𝐵 = -∞)) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
322, 31sylan2b 581 . . . 4 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝐵 ∈ ℝ*) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
33 breq1 4789 . . . . . 6 (𝐴 = +∞ → (𝐴 < 𝐵 ↔ +∞ < 𝐵))
3433adantr 466 . . . . 5 ((𝐴 = +∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ*) → (𝐴 < 𝐵 ↔ +∞ < 𝐵))
35 pnfnlt 12167 . . . . . . 7 (𝐵 ∈ ℝ* → ¬ +∞ < 𝐵)
3635adantl 467 . . . . . 6 ((𝐴 = +∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ*) → ¬ +∞ < 𝐵)
3736pm2.21d 119 . . . . 5 ((𝐴 = +∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ*) → (+∞ < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
3834, 37sylbid 230 . . . 4 ((𝐴 = +∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ*) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
39 peano2rem 10550 . . . . . . . . . 10 (𝐵 ∈ ℝ → (𝐵 − 1) ∈ ℝ)
4039adantl 467 . . . . . . . . 9 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → (𝐵 − 1) ∈ ℝ)
41 simpr 471 . . . . . . . . 9 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → 𝐵 ∈ ℝ)
42 ltm1 11065 . . . . . . . . . 10 (𝐵 ∈ ℝ → (𝐵 − 1) < 𝐵)
4342adantl 467 . . . . . . . . 9 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → (𝐵 − 1) < 𝐵)
44 qbtwnre 12235 . . . . . . . . 9 (((𝐵 − 1) ∈ ℝ ∧ 𝐵 ∈ ℝ ∧ (𝐵 − 1) < 𝐵) → ∃𝑥 ∈ ℚ ((𝐵 − 1) < 𝑥𝑥 < 𝐵))
4540, 41, 43, 44syl3anc 1476 . . . . . . . 8 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → ∃𝑥 ∈ ℚ ((𝐵 − 1) < 𝑥𝑥 < 𝐵))
46 simpll 750 . . . . . . . . . . . 12 (((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → 𝐴 = -∞)
4712adantl 467 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → 𝑥 ∈ ℝ)
48 mnflt 12162 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 ∈ ℝ → -∞ < 𝑥)
4947, 48syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → -∞ < 𝑥)
5046, 49eqbrtrd 4808 . . . . . . . . . . 11 (((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → 𝐴 < 𝑥)
5150a1d 25 . . . . . . . . . 10 (((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → ((𝐵 − 1) < 𝑥𝐴 < 𝑥))
5251anim1d 598 . . . . . . . . 9 (((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) ∧ 𝑥 ∈ ℚ) → (((𝐵 − 1) < 𝑥𝑥 < 𝐵) → (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
5352reximdva 3165 . . . . . . . 8 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → (∃𝑥 ∈ ℚ ((𝐵 − 1) < 𝑥𝑥 < 𝐵) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
5445, 53mpd 15 . . . . . . 7 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵))
5554a1d 25 . . . . . 6 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
56 1re 10241 . . . . . . . . . 10 1 ∈ ℝ
57 mnflt 12162 . . . . . . . . . 10 (1 ∈ ℝ → -∞ < 1)
5856, 57ax-mp 5 . . . . . . . . 9 -∞ < 1
59 breq1 4789 . . . . . . . . 9 (𝐴 = -∞ → (𝐴 < 1 ↔ -∞ < 1))
6058, 59mpbiri 248 . . . . . . . 8 (𝐴 = -∞ → 𝐴 < 1)
61 ltpnf 12159 . . . . . . . . . 10 (1 ∈ ℝ → 1 < +∞)
6256, 61ax-mp 5 . . . . . . . . 9 1 < +∞
63 breq2 4790 . . . . . . . . 9 (𝐵 = +∞ → (1 < 𝐵 ↔ 1 < +∞))
6462, 63mpbiri 248 . . . . . . . 8 (𝐵 = +∞ → 1 < 𝐵)
65 1z 11609 . . . . . . . . . 10 1 ∈ ℤ
66 zq 11997 . . . . . . . . . 10 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℚ)
6765, 66ax-mp 5 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℚ
68 breq2 4790 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 = 1 → (𝐴 < 𝑥𝐴 < 1))
69 breq1 4789 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 = 1 → (𝑥 < 𝐵 ↔ 1 < 𝐵))
7068, 69anbi12d 616 . . . . . . . . . 10 (𝑥 = 1 → ((𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵) ↔ (𝐴 < 1 ∧ 1 < 𝐵)))
7170rspcev 3460 . . . . . . . . 9 ((1 ∈ ℚ ∧ (𝐴 < 1 ∧ 1 < 𝐵)) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵))
7267, 71mpan 670 . . . . . . . 8 ((𝐴 < 1 ∧ 1 < 𝐵) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵))
7360, 64, 72syl2an 583 . . . . . . 7 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 = +∞) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵))
7473a1d 25 . . . . . 6 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 = +∞) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
75 3mix3 1416 . . . . . . . 8 (𝐴 = -∞ → (𝐴 ∈ ℝ ∨ 𝐴 = +∞ ∨ 𝐴 = -∞))
7675, 1sylibr 224 . . . . . . 7 (𝐴 = -∞ → 𝐴 ∈ ℝ*)
7776, 29sylan 569 . . . . . 6 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 = -∞) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
7855, 74, 773jaodan 1542 . . . . 5 ((𝐴 = -∞ ∧ (𝐵 ∈ ℝ ∨ 𝐵 = +∞ ∨ 𝐵 = -∞)) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
792, 78sylan2b 581 . . . 4 ((𝐴 = -∞ ∧ 𝐵 ∈ ℝ*) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
8032, 38, 793jaoian 1541 . . 3 (((𝐴 ∈ ℝ ∨ 𝐴 = +∞ ∨ 𝐴 = -∞) ∧ 𝐵 ∈ ℝ*) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
811, 80sylanb 570 . 2 ((𝐴 ∈ ℝ*𝐵 ∈ ℝ*) → (𝐴 < 𝐵 → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵)))
82813impia 1109 1 ((𝐴 ∈ ℝ*𝐵 ∈ ℝ*𝐴 < 𝐵) → ∃𝑥 ∈ ℚ (𝐴 < 𝑥𝑥 < 𝐵))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ↔ wb 196   ∧ wa 382   ∨ w3o 1070   ∧ w3a 1071   = wceq 1631   ∈ wcel 2145  ∃wrex 3062   class class class wbr 4786  (class class class)co 6793  ℝcr 10137  1c1 10139   + caddc 10141  +∞cpnf 10273  -∞cmnf 10274  ℝ*cxr 10275   < clt 10276   − cmin 10468  ℤcz 11579  ℚcq 11991 This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1870  ax-4 1885  ax-5 1991  ax-6 2057  ax-7 2093  ax-8 2147  ax-9 2154  ax-10 2174  ax-11 2190  ax-12 2203  ax-13 2408  ax-ext 2751  ax-sep 4915  ax-nul 4923  ax-pow 4974  ax-pr 5034  ax-un 7096  ax-cnex 10194  ax-resscn 10195  ax-1cn 10196  ax-icn 10197  ax-addcl 10198  ax-addrcl 10199  ax-mulcl 10200  ax-mulrcl 10201  ax-mulcom 10202  ax-addass 10203  ax-mulass 10204  ax-distr 10205  ax-i2m1 10206  ax-1ne0 10207  ax-1rid 10208  ax-rnegex 10209  ax-rrecex 10210  ax-cnre 10211  ax-pre-lttri 10212  ax-pre-lttrn 10213  ax-pre-ltadd 10214  ax-pre-mulgt0 10215  ax-pre-sup 10216 This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-an 383  df-or 835  df-3or 1072  df-3an 1073  df-tru 1634  df-ex 1853  df-nf 1858  df-sb 2050  df-eu 2622  df-mo 2623  df-clab 2758  df-cleq 2764  df-clel 2767  df-nfc 2902  df-ne 2944  df-nel 3047  df-ral 3066  df-rex 3067  df-reu 3068  df-rmo 3069  df-rab 3070  df-v 3353  df-sbc 3588  df-csb 3683  df-dif 3726  df-un 3728  df-in 3730  df-ss 3737  df-pss 3739  df-nul 4064  df-if 4226  df-pw 4299  df-sn 4317  df-pr 4319  df-tp 4321  df-op 4323  df-uni 4575  df-iun 4656  df-br 4787  df-opab 4847  df-mpt 4864  df-tr 4887  df-id 5157  df-eprel 5162  df-po 5170  df-so 5171  df-fr 5208  df-we 5210  df-xp 5255  df-rel 5256  df-cnv 5257  df-co 5258  df-dm 5259  df-rn 5260  df-res 5261  df-ima 5262  df-pred 5823  df-ord 5869  df-on 5870  df-lim 5871  df-suc 5872  df-iota 5994  df-fun 6033  df-fn 6034  df-f 6035  df-f1 6036  df-fo 6037  df-f1o 6038  df-fv 6039  df-riota 6754  df-ov 6796  df-oprab 6797  df-mpt2 6798  df-om 7213  df-1st 7315  df-2nd 7316  df-wrecs 7559  df-recs 7621  df-rdg 7659  df-er 7896  df-en 8110  df-dom 8111  df-sdom 8112  df-sup 8504  df-inf 8505  df-pnf 10278  df-mnf 10279  df-xr 10280  df-ltxr 10281  df-le 10282  df-sub 10470  df-neg 10471  df-div 10887  df-nn 11223  df-n0 11495  df-z 11580  df-uz 11889  df-q 11992 This theorem is referenced by:  qextltlem  12238  xralrple  12241  ixxub  12401  ixxlb  12402  ioo0  12405  ico0  12426  ioc0  12427  blssps  22449  blss  22450  blcld  22530  qdensere  22793  tgqioo  22823  dvlip2  23978  lhop2  23998  itgsubst  24032  itg2gt0cn  33797  qinioo  40280  qelioo  40291  qndenserrnbllem  41031
 Copyright terms: Public domain W3C validator