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Theorem bfp 26534
Description: Banach fixed point theorem, also known as contraction mapping theorem. A contraction on a complete metric space has a unique fixed point. We show existence in the lemmas, and uniqueness here - if  F has two fixed points, then the distance between them is less than  K times itself, a contradiction. (Contributed by Jeff Madsen, 2-Sep-2009.) (Proof shortened by Mario Carneiro, 5-Jun-2014.)
Hypotheses
Ref Expression
bfp.2  |-  ( ph  ->  D  e.  ( CMet `  X ) )
bfp.3  |-  ( ph  ->  X  =/=  (/) )
bfp.4  |-  ( ph  ->  K  e.  RR+ )
bfp.5  |-  ( ph  ->  K  <  1 )
bfp.6  |-  ( ph  ->  F : X --> X )
bfp.7  |-  ( (
ph  /\  ( x  e.  X  /\  y  e.  X ) )  -> 
( ( F `  x ) D ( F `  y ) )  <_  ( K  x.  ( x D y ) ) )
Assertion
Ref Expression
bfp  |-  ( ph  ->  E! z  e.  X  ( F `  z )  =  z )
Distinct variable groups:    x, y,
z, D    ph, x, y   
x, F, y, z   
x, K, y    x, X, y, z
Allowed substitution hints:    ph( z)    K( z)

Proof of Theorem bfp
Dummy variable  w is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 bfp.3 . . . 4  |-  ( ph  ->  X  =/=  (/) )
2 n0 3638 . . . 4  |-  ( X  =/=  (/)  <->  E. w  w  e.  X )
31, 2sylib 190 . . 3  |-  ( ph  ->  E. w  w  e.  X )
4 bfp.2 . . . . 5  |-  ( ph  ->  D  e.  ( CMet `  X ) )
54adantr 453 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  D  e.  ( CMet `  X
) )
61adantr 453 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  X  =/=  (/) )
7 bfp.4 . . . . 5  |-  ( ph  ->  K  e.  RR+ )
87adantr 453 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  K  e.  RR+ )
9 bfp.5 . . . . 5  |-  ( ph  ->  K  <  1 )
109adantr 453 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  K  <  1 )
11 bfp.6 . . . . 5  |-  ( ph  ->  F : X --> X )
1211adantr 453 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  F : X --> X )
13 bfp.7 . . . . 5  |-  ( (
ph  /\  ( x  e.  X  /\  y  e.  X ) )  -> 
( ( F `  x ) D ( F `  y ) )  <_  ( K  x.  ( x D y ) ) )
1413adantlr 697 . . . 4  |-  ( ( ( ph  /\  w  e.  X )  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  ->  ( ( F `  x ) D ( F `  y ) )  <_ 
( K  x.  (
x D y ) ) )
15 eqid 2437 . . . 4  |-  ( MetOpen `  D )  =  (
MetOpen `  D )
16 simpr 449 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  w  e.  X )
17 eqid 2437 . . . 4  |-  seq  1
( ( F  o.  1st ) ,  ( NN 
X.  { w }
) )  =  seq  1 ( ( F  o.  1st ) ,  ( NN  X.  {
w } ) )
185, 6, 8, 10, 12, 14, 15, 16, 17bfplem2 26533 . . 3  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  E. z  e.  X  ( F `  z )  =  z )
193, 18exlimddv 1649 . 2  |-  ( ph  ->  E. z  e.  X  ( F `  z )  =  z )
20 oveq12 6091 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( F `  x
)  =  x  /\  ( F `  y )  =  y )  -> 
( ( F `  x ) D ( F `  y ) )  =  ( x D y ) )
2120adantl 454 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( F `
 x ) D ( F `  y
) )  =  ( x D y ) )
2213adantr 453 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( F `
 x ) D ( F `  y
) )  <_  ( K  x.  ( x D y ) ) )
2321, 22eqbrtrrd 4235 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  <_  ( K  x.  ( x D y ) ) )
24 cmetmet 19240 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( D  e.  ( CMet `  X
)  ->  D  e.  ( Met `  X ) )
254, 24syl 16 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ph  ->  D  e.  ( Met `  X ) )
2625ad2antrr 708 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  D  e.  ( Met `  X ) )
27 simplrl 738 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  x  e.  X
)
28 simplrr 739 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  y  e.  X
)
29 metcl 18363 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( D  e.  ( Met `  X )  /\  x  e.  X  /\  y  e.  X )  ->  (
x D y )  e.  RR )
3026, 27, 28, 29syl3anc 1185 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  e.  RR )
317rpred 10649 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ph  ->  K  e.  RR )
3231ad2antrr 708 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  K  e.  RR )
3332, 30remulcld 9117 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( K  x.  ( x D y ) )  e.  RR )
3430, 33suble0d 9618 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( ( x D y )  -  ( K  x.  ( x D y ) ) )  <_ 
0  <->  ( x D y )  <_  ( K  x.  ( x D y ) ) ) )
3523, 34mpbird 225 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( x D y )  -  ( K  x.  (
x D y ) ) )  <_  0
)
36 ax-1cn 9049 . . . . . . . . . . . 12  |-  1  e.  CC
3736a1i 11 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  1  e.  CC )
3832recnd 9115 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  K  e.  CC )
3930recnd 9115 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  e.  CC )
4037, 38, 39subdird 9491 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( 1  -  K )  x.  ( x D y ) )  =  ( ( 1  x.  (
x D y ) )  -  ( K  x.  ( x D y ) ) ) )
4139mulid2d 9107 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( 1  x.  ( x D y ) )  =  ( x D y ) )
4241oveq1d 6097 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( 1  x.  ( x D y ) )  -  ( K  x.  (
x D y ) ) )  =  ( ( x D y )  -  ( K  x.  ( x D y ) ) ) )
4340, 42eqtrd 2469 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( 1  -  K )  x.  ( x D y ) )  =  ( ( x D y )  -  ( K  x.  ( x D y ) ) ) )
44 1re 9091 . . . . . . . . . . . . 13  |-  1  e.  RR
45 resubcl 9366 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( 1  e.  RR  /\  K  e.  RR )  ->  ( 1  -  K
)  e.  RR )
4644, 31, 45sylancr 646 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ph  ->  ( 1  -  K
)  e.  RR )
4746ad2antrr 708 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( 1  -  K )  e.  RR )
4847recnd 9115 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( 1  -  K )  e.  CC )
4948mul01d 9266 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( 1  -  K )  x.  0 )  =  0 )
5035, 43, 493brtr4d 4243 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( 1  -  K )  x.  ( x D y ) )  <_  (
( 1  -  K
)  x.  0 ) )
51 0re 9092 . . . . . . . . . 10  |-  0  e.  RR
5251a1i 11 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  0  e.  RR )
53 posdif 9522 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( K  e.  RR  /\  1  e.  RR )  ->  ( K  <  1  <->  0  <  ( 1  -  K ) ) )
5431, 44, 53sylancl 645 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ph  ->  ( K  <  1  <->  0  <  ( 1  -  K ) ) )
559, 54mpbid 203 . . . . . . . . . 10  |-  ( ph  ->  0  <  ( 1  -  K ) )
5655ad2antrr 708 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  0  <  (
1  -  K ) )
57 lemul2 9864 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( x D y )  e.  RR  /\  0  e.  RR  /\  (
( 1  -  K
)  e.  RR  /\  0  <  ( 1  -  K ) ) )  ->  ( ( x D y )  <_ 
0  <->  ( ( 1  -  K )  x.  ( x D y ) )  <_  (
( 1  -  K
)  x.  0 ) ) )
5830, 52, 47, 56, 57syl112anc 1189 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( x D y )  <_ 
0  <->  ( ( 1  -  K )  x.  ( x D y ) )  <_  (
( 1  -  K
)  x.  0 ) ) )
5950, 58mpbird 225 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  <_  0
)
60 metge0 18376 . . . . . . . 8  |-  ( ( D  e.  ( Met `  X )  /\  x  e.  X  /\  y  e.  X )  ->  0  <_  ( x D y ) )
6126, 27, 28, 60syl3anc 1185 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  0  <_  (
x D y ) )
62 letri3 9161 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( x D y )  e.  RR  /\  0  e.  RR )  ->  ( ( x D y )  =  0  <-> 
( ( x D y )  <_  0  /\  0  <_  ( x D y ) ) ) )
6330, 51, 62sylancl 645 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( x D y )  =  0  <->  ( ( x D y )  <_ 
0  /\  0  <_  ( x D y ) ) ) )
6459, 61, 63mpbir2and 890 . . . . . 6  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  =  0 )
65 meteq0 18370 . . . . . . 7  |-  ( ( D  e.  ( Met `  X )  /\  x  e.  X  /\  y  e.  X )  ->  (
( x D y )  =  0  <->  x  =  y ) )
6626, 27, 28, 65syl3anc 1185 . . . . . 6  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( x D y )  =  0  <->  x  =  y
) )
6764, 66mpbid 203 . . . . 5  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  x  =  y )
6867ex 425 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  ( x  e.  X  /\  y  e.  X ) )  -> 
( ( ( F `
 x )  =  x  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  x  =  y ) )
6968ralrimivva 2799 . . 3  |-  ( ph  ->  A. x  e.  X  A. y  e.  X  ( ( ( F `
 x )  =  x  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  x  =  y ) )
70 fveq2 5729 . . . . . . . 8  |-  ( x  =  z  ->  ( F `  x )  =  ( F `  z ) )
71 id 21 . . . . . . . 8  |-  ( x  =  z  ->  x  =  z )
7270, 71eqeq12d 2451 . . . . . . 7  |-  ( x  =  z  ->  (
( F `  x
)  =  x  <->  ( F `  z )  =  z ) )
7372anbi1d 687 . . . . . 6  |-  ( x  =  z  ->  (
( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y )  <->  ( ( F `
 z )  =  z  /\  ( F `
 y )  =  y ) ) )
74 equequ1 1697 . . . . . 6  |-  ( x  =  z  ->  (
x  =  y  <->  z  =  y ) )
7573, 74imbi12d 313 . . . . 5  |-  ( x  =  z  ->  (
( ( ( F `
 x )  =  x  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  x  =  y )  <->  ( (
( F `  z
)  =  z  /\  ( F `  y )  =  y )  -> 
z  =  y ) ) )
7675ralbidv 2726 . . . 4  |-  ( x  =  z  ->  ( A. y  e.  X  ( ( ( F `
 x )  =  x  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  x  =  y )  <->  A. y  e.  X  ( (
( F `  z
)  =  z  /\  ( F `  y )  =  y )  -> 
z  =  y ) ) )
7776cbvralv 2933 . . 3  |-  ( A. x  e.  X  A. y  e.  X  (
( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y )  ->  x  =  y )  <->  A. z  e.  X  A. y  e.  X  ( (
( F `  z
)  =  z  /\  ( F `  y )  =  y )  -> 
z  =  y ) )
7869, 77sylib 190 . 2  |-  ( ph  ->  A. z  e.  X  A. y  e.  X  ( ( ( F `
 z )  =  z  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  z  =  y ) )
79 fveq2 5729 . . . 4  |-  ( z  =  y  ->  ( F `  z )  =  ( F `  y ) )
80 id 21 . . . 4  |-  ( z  =  y  ->  z  =  y )
8179, 80eqeq12d 2451 . . 3  |-  ( z  =  y  ->  (
( F `  z
)  =  z  <->  ( F `  y )  =  y ) )
8281reu4 3129 . 2  |-  ( E! z  e.  X  ( F `  z )  =  z  <->  ( E. z  e.  X  ( F `  z )  =  z  /\  A. z  e.  X  A. y  e.  X  ( (
( F `  z
)  =  z  /\  ( F `  y )  =  y )  -> 
z  =  y ) ) )
8319, 78, 82sylanbrc 647 1  |-  ( ph  ->  E! z  e.  X  ( F `  z )  =  z )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:    -> wi 4    <-> wb 178    /\ wa 360   E.wex 1551    = wceq 1653    e. wcel 1726    =/= wne 2600   A.wral 2706   E.wrex 2707   E!wreu 2708   (/)c0 3629   {csn 3815   class class class wbr 4213    X. cxp 4877    o. ccom 4883   -->wf 5451   ` cfv 5455  (class class class)co 6082   1stc1st 6348   CCcc 8989   RRcr 8990   0cc0 8991   1c1 8992    x. cmul 8996    < clt 9121    <_ cle 9122    - cmin 9292   NNcn 10001   RR+crp 10613    seq cseq 11324   Metcme 16688   MetOpencmopn 16692   CMetcms 19208
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1556  ax-5 1567  ax-17 1627  ax-9 1667  ax-8 1688  ax-13 1728  ax-14 1730  ax-6 1745  ax-7 1750  ax-11 1762  ax-12 1951  ax-ext 2418  ax-rep 4321  ax-sep 4331  ax-nul 4339  ax-pow 4378  ax-pr 4404  ax-un 4702  ax-inf2 7597  ax-cnex 9047  ax-resscn 9048  ax-1cn 9049  ax-icn 9050  ax-addcl 9051  ax-addrcl 9052  ax-mulcl 9053  ax-mulrcl 9054  ax-mulcom 9055  ax-addass 9056  ax-mulass 9057  ax-distr 9058  ax-i2m1 9059  ax-1ne0 9060  ax-1rid 9061  ax-rnegex 9062  ax-rrecex 9063  ax-cnre 9064  ax-pre-lttri 9065  ax-pre-lttrn 9066  ax-pre-ltadd 9067  ax-pre-mulgt0 9068  ax-pre-sup 9069
This theorem depends on definitions:  df-bi 179  df-or 361  df-an 362  df-3or 938  df-3an 939  df-tru 1329  df-ex 1552  df-nf 1555  df-sb 1660  df-eu 2286  df-mo 2287  df-clab 2424  df-cleq 2430  df-clel 2433  df-nfc 2562  df-ne 2602  df-nel 2603  df-ral 2711  df-rex 2712  df-reu 2713  df-rmo 2714  df-rab 2715  df-v 2959  df-sbc 3163  df-csb 3253  df-dif 3324  df-un 3326  df-in 3328  df-ss 3335  df-pss 3337  df-nul 3630  df-if 3741  df-pw 3802  df-sn 3821  df-pr 3822  df-tp 3823  df-op 3824  df-uni 4017  df-int 4052  df-iun 4096  df-br 4214  df-opab 4268  df-mpt 4269  df-tr 4304  df-eprel 4495  df-id 4499  df-po 4504  df-so 4505  df-fr 4542  df-se 4543  df-we 4544  df-ord 4585  df-on 4586  df-lim 4587  df-suc 4588  df-om 4847  df-xp 4885  df-rel 4886  df-cnv 4887  df-co 4888  df-dm 4889  df-rn 4890  df-res 4891  df-ima 4892  df-iota 5419  df-fun 5457  df-fn 5458  df-f 5459  df-f1 5460  df-fo 5461  df-f1o 5462  df-fv 5463  df-isom 5464  df-ov 6085  df-oprab 6086  df-mpt2 6087  df-1st 6350  df-2nd 6351  df-riota 6550  df-recs 6634  df-rdg 6669  df-1o 6725  df-oadd 6729  df-er 6906  df-map 7021  df-pm 7022  df-en 7111  df-dom 7112  df-sdom 7113  df-fin 7114  df-sup 7447  df-oi 7480  df-card 7827  df-pnf 9123  df-mnf 9124  df-xr 9125  df-ltxr 9126  df-le 9127  df-sub 9294  df-neg 9295  df-div 9679  df-nn 10002  df-2 10059  df-3 10060  df-n0 10223  df-z 10284  df-uz 10490  df-q 10576  df-rp 10614  df-xneg 10711  df-xadd 10712  df-xmul 10713  df-ico 10923  df-icc 10924  df-fz 11045  df-fzo 11137  df-fl 11203  df-seq 11325  df-exp 11384  df-hash 11620  df-cj 11905  df-re 11906  df-im 11907  df-sqr 12041  df-abs 12042  df-clim 12283  df-rlim 12284  df-sum 12481  df-rest 13651  df-topgen 13668  df-psmet 16695  df-xmet 16696  df-met 16697  df-bl 16698  df-mopn 16699  df-fbas 16700  df-fg 16701  df-top 16964  df-bases 16966  df-topon 16967  df-ntr 17085  df-nei 17163  df-lm 17294  df-haus 17380  df-fil 17879  df-fm 17971  df-flim 17972  df-flf 17973  df-cfil 19209  df-cau 19210  df-cmet 19211
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