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Theorem bfp 29921
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 3794 . . . 4  |-  ( X  =/=  (/)  <->  E. w  w  e.  X )
31, 2sylib 196 . . 3  |-  ( ph  ->  E. w  w  e.  X )
4 bfp.2 . . . . 5  |-  ( ph  ->  D  e.  ( CMet `  X ) )
54adantr 465 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  D  e.  ( CMet `  X
) )
61adantr 465 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  X  =/=  (/) )
7 bfp.4 . . . . 5  |-  ( ph  ->  K  e.  RR+ )
87adantr 465 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  K  e.  RR+ )
9 bfp.5 . . . . 5  |-  ( ph  ->  K  <  1 )
109adantr 465 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  K  <  1 )
11 bfp.6 . . . . 5  |-  ( ph  ->  F : X --> X )
1211adantr 465 . . . 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 714 . . . 4  |-  ( ( ( ph  /\  w  e.  X )  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  ->  ( ( F `  x ) D ( F `  y ) )  <_ 
( K  x.  (
x D y ) ) )
15 eqid 2467 . . . 4  |-  ( MetOpen `  D )  =  (
MetOpen `  D )
16 simpr 461 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  w  e.  X )
17 eqid 2467 . . . 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 29920 . . 3  |-  ( (
ph  /\  w  e.  X )  ->  E. z  e.  X  ( F `  z )  =  z )
193, 18exlimddv 1702 . 2  |-  ( ph  ->  E. z  e.  X  ( F `  z )  =  z )
20 oveq12 6291 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( F `  x
)  =  x  /\  ( F `  y )  =  y )  -> 
( ( F `  x ) D ( F `  y ) )  =  ( x D y ) )
2120adantl 466 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( F `
 x ) D ( F `  y
) )  =  ( x D y ) )
2213adantr 465 . . . . . . . . . . 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 4469 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  <_  ( K  x.  ( x D y ) ) )
24 cmetmet 21457 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( D  e.  ( CMet `  X
)  ->  D  e.  ( Met `  X ) )
254, 24syl 16 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ph  ->  D  e.  ( Met `  X ) )
2625ad2antrr 725 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  D  e.  ( Met `  X ) )
27 simplrl 759 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  x  e.  X
)
28 simplrr 760 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  y  e.  X
)
29 metcl 20567 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( D  e.  ( Met `  X )  /\  x  e.  X  /\  y  e.  X )  ->  (
x D y )  e.  RR )
3026, 27, 28, 29syl3anc 1228 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  e.  RR )
317rpred 11252 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ph  ->  K  e.  RR )
3231ad2antrr 725 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  K  e.  RR )
3332, 30remulcld 9620 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( K  x.  ( x D y ) )  e.  RR )
3430, 33suble0d 10139 . . . . . . . . . 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 232 . . . . . . . . 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 9546 . . . . . . . . . . . 12  |-  1  e.  CC
3736a1i 11 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  1  e.  CC )
3832recnd 9618 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  K  e.  CC )
3930recnd 9618 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  e.  CC )
4037, 38, 39subdird 10009 . . . . . . . . . 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 9610 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( 1  x.  ( x D y ) )  =  ( x D y ) )
4241oveq1d 6297 . . . . . . . . . 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 2508 . . . . . . . . 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 9591 . . . . . . . . . . . . 13  |-  1  e.  RR
45 resubcl 9879 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( 1  e.  RR  /\  K  e.  RR )  ->  ( 1  -  K
)  e.  RR )
4644, 31, 45sylancr 663 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ph  ->  ( 1  -  K
)  e.  RR )
4746ad2antrr 725 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( 1  -  K )  e.  RR )
4847recnd 9618 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( 1  -  K )  e.  CC )
4948mul01d 9774 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( 1  -  K )  x.  0 )  =  0 )
5035, 43, 493brtr4d 4477 . . . . . . . 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 9592 . . . . . . . . . 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 10041 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( K  e.  RR  /\  1  e.  RR )  ->  ( K  <  1  <->  0  <  ( 1  -  K ) ) )
5431, 44, 53sylancl 662 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ph  ->  ( K  <  1  <->  0  <  ( 1  -  K ) ) )
559, 54mpbid 210 . . . . . . . . . 10  |-  ( ph  ->  0  <  ( 1  -  K ) )
5655ad2antrr 725 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  0  <  (
1  -  K ) )
57 lemul2 10391 . . . . . . . . 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 1232 . . . . . . . 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 232 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  <_  0
)
60 metge0 20580 . . . . . . . 8  |-  ( ( D  e.  ( Met `  X )  /\  x  e.  X  /\  y  e.  X )  ->  0  <_  ( x D y ) )
6126, 27, 28, 60syl3anc 1228 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  0  <_  (
x D y ) )
62 letri3 9666 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( x D y )  e.  RR  /\  0  e.  RR )  ->  ( ( x D y )  =  0  <-> 
( ( x D y )  <_  0  /\  0  <_  ( x D y ) ) ) )
6330, 51, 62sylancl 662 . . . . . . 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 920 . . . . . 6  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( x D y )  =  0 )
65 meteq0 20574 . . . . . . 7  |-  ( ( D  e.  ( Met `  X )  /\  x  e.  X  /\  y  e.  X )  ->  (
( x D y )  =  0  <->  x  =  y ) )
6626, 27, 28, 65syl3anc 1228 . . . . . 6  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  ( ( x D y )  =  0  <->  x  =  y
) )
6764, 66mpbid 210 . . . . 5  |-  ( ( ( ph  /\  (
x  e.  X  /\  y  e.  X )
)  /\  ( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y ) )  ->  x  =  y )
6867ex 434 . . . 4  |-  ( (
ph  /\  ( x  e.  X  /\  y  e.  X ) )  -> 
( ( ( F `
 x )  =  x  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  x  =  y ) )
6968ralrimivva 2885 . . 3  |-  ( ph  ->  A. x  e.  X  A. y  e.  X  ( ( ( F `
 x )  =  x  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  x  =  y ) )
70 fveq2 5864 . . . . . . . 8  |-  ( x  =  z  ->  ( F `  x )  =  ( F `  z ) )
71 id 22 . . . . . . . 8  |-  ( x  =  z  ->  x  =  z )
7270, 71eqeq12d 2489 . . . . . . 7  |-  ( x  =  z  ->  (
( F `  x
)  =  x  <->  ( F `  z )  =  z ) )
7372anbi1d 704 . . . . . 6  |-  ( x  =  z  ->  (
( ( F `  x )  =  x  /\  ( F `  y )  =  y )  <->  ( ( F `
 z )  =  z  /\  ( F `
 y )  =  y ) ) )
74 equequ1 1747 . . . . . 6  |-  ( x  =  z  ->  (
x  =  y  <->  z  =  y ) )
7573, 74imbi12d 320 . . . . 5  |-  ( x  =  z  ->  (
( ( ( F `
 x )  =  x  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  x  =  y )  <->  ( (
( F `  z
)  =  z  /\  ( F `  y )  =  y )  -> 
z  =  y ) ) )
7675ralbidv 2903 . . . 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 3088 . . 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 196 . 2  |-  ( ph  ->  A. z  e.  X  A. y  e.  X  ( ( ( F `
 z )  =  z  /\  ( F `
 y )  =  y )  ->  z  =  y ) )
79 fveq2 5864 . . . 4  |-  ( z  =  y  ->  ( F `  z )  =  ( F `  y ) )
80 id 22 . . . 4  |-  ( z  =  y  ->  z  =  y )
8179, 80eqeq12d 2489 . . 3  |-  ( z  =  y  ->  (
( F `  z
)  =  z  <->  ( F `  y )  =  y ) )
8281reu4 3297 . 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 664 1  |-  ( ph  ->  E! z  e.  X  ( F `  z )  =  z )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:    -> wi 4    <-> wb 184    /\ wa 369    = wceq 1379   E.wex 1596    e. wcel 1767    =/= wne 2662   A.wral 2814   E.wrex 2815   E!wreu 2816   (/)c0 3785   {csn 4027   class class class wbr 4447    X. cxp 4997    o. ccom 5003   -->wf 5582   ` cfv 5586  (class class class)co 6282   1stc1st 6779   CCcc 9486   RRcr 9487   0cc0 9488   1c1 9489    x. cmul 9493    < clt 9624    <_ cle 9625    - cmin 9801   NNcn 10532   RR+crp 11216    seqcseq 12070   Metcme 18172   MetOpencmopn 18176   CMetcms 21425
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1601  ax-4 1612  ax-5 1680  ax-6 1719  ax-7 1739  ax-8 1769  ax-9 1771  ax-10 1786  ax-11 1791  ax-12 1803  ax-13 1968  ax-ext 2445  ax-rep 4558  ax-sep 4568  ax-nul 4576  ax-pow 4625  ax-pr 4686  ax-un 6574  ax-inf2 8054  ax-cnex 9544  ax-resscn 9545  ax-1cn 9546  ax-icn 9547  ax-addcl 9548  ax-addrcl 9549  ax-mulcl 9550  ax-mulrcl 9551  ax-mulcom 9552  ax-addass 9553  ax-mulass 9554  ax-distr 9555  ax-i2m1 9556  ax-1ne0 9557  ax-1rid 9558  ax-rnegex 9559  ax-rrecex 9560  ax-cnre 9561  ax-pre-lttri 9562  ax-pre-lttrn 9563  ax-pre-ltadd 9564  ax-pre-mulgt0 9565  ax-pre-sup 9566
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 370  df-an 371  df-3or 974  df-3an 975  df-tru 1382  df-fal 1385  df-ex 1597  df-nf 1600  df-sb 1712  df-eu 2279  df-mo 2280  df-clab 2453  df-cleq 2459  df-clel 2462  df-nfc 2617  df-ne 2664  df-nel 2665  df-ral 2819  df-rex 2820  df-reu 2821  df-rmo 2822  df-rab 2823  df-v 3115  df-sbc 3332  df-csb 3436  df-dif 3479  df-un 3481  df-in 3483  df-ss 3490  df-pss 3492  df-nul 3786  df-if 3940  df-pw 4012  df-sn 4028  df-pr 4030  df-tp 4032  df-op 4034  df-uni 4246  df-int 4283  df-iun 4327  df-br 4448  df-opab 4506  df-mpt 4507  df-tr 4541  df-eprel 4791  df-id 4795  df-po 4800  df-so 4801  df-fr 4838  df-se 4839  df-we 4840  df-ord 4881  df-on 4882  df-lim 4883  df-suc 4884  df-xp 5005  df-rel 5006  df-cnv 5007  df-co 5008  df-dm 5009  df-rn 5010  df-res 5011  df-ima 5012  df-iota 5549  df-fun 5588  df-fn 5589  df-f 5590  df-f1 5591  df-fo 5592  df-f1o 5593  df-fv 5594  df-isom 5595  df-riota 6243  df-ov 6285  df-oprab 6286  df-mpt2 6287  df-om 6679  df-1st 6781  df-2nd 6782  df-recs 7039  df-rdg 7073  df-1o 7127  df-oadd 7131  df-er 7308  df-map 7419  df-pm 7420  df-en 7514  df-dom 7515  df-sdom 7516  df-fin 7517  df-sup 7897  df-oi 7931  df-card 8316  df-pnf 9626  df-mnf 9627  df-xr 9628  df-ltxr 9629  df-le 9630  df-sub 9803  df-neg 9804  df-div 10203  df-nn 10533  df-2 10590  df-3 10591  df-n0 10792  df-z 10861  df-uz 11079  df-q 11179  df-rp 11217  df-xneg 11314  df-xadd 11315  df-xmul 11316  df-ico 11531  df-icc 11532  df-fz 11669  df-fzo 11789  df-fl 11893  df-seq 12071  df-exp 12130  df-hash 12368  df-cj 12889  df-re 12890  df-im 12891  df-sqrt 13025  df-abs 13026  df-clim 13267  df-rlim 13268  df-sum 13465  df-rest 14671  df-topgen 14692  df-psmet 18179  df-xmet 18180  df-met 18181  df-bl 18182  df-mopn 18183  df-fbas 18184  df-fg 18185  df-top 19163  df-bases 19165  df-topon 19166  df-ntr 19284  df-nei 19362  df-lm 19493  df-haus 19579  df-fil 20079  df-fm 20171  df-flim 20172  df-flf 20173  df-cfil 21426  df-cau 21427  df-cmet 21428
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