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Theorem carsgclctun

Description: The Caratheodory measurable sets are closed under countable union. (Contributed by Thierry Arnoux, 21-May-2020)

Ref Expression
Hypotheses carsgval.1 ⊢ φ → O ∈ V
carsgval.2 ⊢ φ → M : 𝒫 O ⟶ 0 +∞
carsgsiga.1 ⊢ φ → M ⁡ ∅ = 0
carsgsiga.2 ⊢ φ ∧ x ≼ ω ∧ x ⊆ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ x ≤ ∑ * y ∈ x M ⁡ y
carsgsiga.3 ⊢ φ ∧ x ⊆ y ∧ y ∈ 𝒫 O → M ⁡ x ≤ M ⁡ y
carsgclctun.1 ⊢ φ → A ≼ ω
carsgclctun.2 ⊢ φ → A ⊆ toCaraSiga ⁡ M
Assertion carsgclctun ⊢ φ → ⋃ A ∈ toCaraSiga ⁡ M

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 carsgval.1 ⊢ φ → O ∈ V
2 carsgval.2 ⊢ φ → M : 𝒫 O ⟶ 0 +∞
3 carsgsiga.1 ⊢ φ → M ⁡ ∅ = 0
4 carsgsiga.2 ⊢ φ ∧ x ≼ ω ∧ x ⊆ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ x ≤ ∑ * y ∈ x M ⁡ y
5 carsgsiga.3 ⊢ φ ∧ x ⊆ y ∧ y ∈ 𝒫 O → M ⁡ x ≤ M ⁡ y
6 carsgclctun.1 ⊢ φ → A ≼ ω
7 carsgclctun.2 ⊢ φ → A ⊆ toCaraSiga ⁡ M
8 7 unissd ⊢ φ → ⋃ A ⊆ ⋃ toCaraSiga ⁡ M
9 1 2 3 carsguni ⊢ φ → ⋃ toCaraSiga ⁡ M = O
10 8 9 sseqtrd ⊢ φ → ⋃ A ⊆ O
11 1 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → O ∈ V
12 2 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M : 𝒫 O ⟶ 0 +∞
13 3 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ ∅ = 0
14 4 3adant1r ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ x ≼ ω ∧ x ⊆ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ x ≤ ∑ * y ∈ x M ⁡ y
15 5 3adant1r ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ x ⊆ y ∧ y ∈ 𝒫 O → M ⁡ x ≤ M ⁡ y
16 6 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → A ≼ ω
17 7 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → A ⊆ toCaraSiga ⁡ M
18 simpr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → e ∈ 𝒫 O
19 11 12 13 14 15 16 17 18 carsgclctunlem3 ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A ≤ M ⁡ e
20 inex1g ⊢ e ∈ 𝒫 O → e ∩ ⋃ A ∈ V
21 20 adantl ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → e ∩ ⋃ A ∈ V
22 difexg ⊢ e ∈ 𝒫 O → e ∖ ⋃ A ∈ V
23 22 adantl ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → e ∖ ⋃ A ∈ V
24 prct ⊢ e ∩ ⋃ A ∈ V ∧ e ∖ ⋃ A ∈ V → e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≼ ω
25 21 23 24 syl2anc ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≼ ω
26 18 elpwincl1 ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → e ∩ ⋃ A ∈ 𝒫 O
27 18 elpwdifcl ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → e ∖ ⋃ A ∈ 𝒫 O
28 prssi ⊢ e ∩ ⋃ A ∈ 𝒫 O ∧ e ∖ ⋃ A ∈ 𝒫 O → e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ⊆ 𝒫 O
29 26 27 28 syl2anc ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ⊆ 𝒫 O
30 prex ⊢ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ∈ V
31 breq1 ⊢ x = e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A → x ≼ ω ↔ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≼ ω
32 sseq1 ⊢ x = e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A → x ⊆ 𝒫 O ↔ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ⊆ 𝒫 O
33 31 32 3anbi23d ⊢ x = e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A → φ ∧ x ≼ ω ∧ x ⊆ 𝒫 O ↔ φ ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≼ ω ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ⊆ 𝒫 O
34 unieq ⊢ x = e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A → ⋃ x = ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A
35 34 fveq2d ⊢ x = e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A → M ⁡ ⋃ x = M ⁡ ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A
36 esumeq1 ⊢ x = e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A → ∑ * y ∈ x M ⁡ y = ∑ * y ∈ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A M ⁡ y
37 35 36 breq12d ⊢ x = e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A → M ⁡ ⋃ x ≤ ∑ * y ∈ x M ⁡ y ↔ M ⁡ ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≤ ∑ * y ∈ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A M ⁡ y
38 33 37 imbi12d ⊢ x = e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A → φ ∧ x ≼ ω ∧ x ⊆ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ x ≤ ∑ * y ∈ x M ⁡ y ↔ φ ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≼ ω ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ⊆ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≤ ∑ * y ∈ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A M ⁡ y
39 38 4 vtoclg ⊢ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ∈ V → φ ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≼ ω ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ⊆ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≤ ∑ * y ∈ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A M ⁡ y
40 30 39 ax-mp ⊢ φ ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≼ ω ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ⊆ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≤ ∑ * y ∈ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A M ⁡ y
41 40 3adant1r ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≼ ω ∧ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ⊆ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≤ ∑ * y ∈ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A M ⁡ y
42 25 29 41 mpd3an23 ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A ≤ ∑ * y ∈ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A M ⁡ y
43 uniprg ⊢ e ∩ ⋃ A ∈ 𝒫 O ∧ e ∖ ⋃ A ∈ 𝒫 O → ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A = e ∩ ⋃ A ∪ e ∖ ⋃ A
44 26 27 43 syl2anc ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A = e ∩ ⋃ A ∪ e ∖ ⋃ A
45 inundif ⊢ e ∩ ⋃ A ∪ e ∖ ⋃ A = e
46 44 45 eqtrdi ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A = e
47 46 fveq2d ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ ⋃ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A = M ⁡ e
48 simpr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ y = e ∩ ⋃ A → y = e ∩ ⋃ A
49 48 fveq2d ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ y = e ∩ ⋃ A → M ⁡ y = M ⁡ e ∩ ⋃ A
50 simpr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ y = e ∖ ⋃ A → y = e ∖ ⋃ A
51 50 fveq2d ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ y = e ∖ ⋃ A → M ⁡ y = M ⁡ e ∖ ⋃ A
52 12 26 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∩ ⋃ A ∈ 0 +∞
53 12 27 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∖ ⋃ A ∈ 0 +∞
54 ineq2 ⊢ e ∩ ⋃ A = e ∖ ⋃ A → e ∩ ⋃ A ∩ e ∩ ⋃ A = e ∩ ⋃ A ∩ e ∖ ⋃ A
55 inidm ⊢ e ∩ ⋃ A ∩ e ∩ ⋃ A = e ∩ ⋃ A
56 inindif ⊢ e ∩ ⋃ A ∩ e ∖ ⋃ A = ∅
57 54 55 56 3eqtr3g ⊢ e ∩ ⋃ A = e ∖ ⋃ A → e ∩ ⋃ A = ∅
58 57 adantl ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ e ∩ ⋃ A = e ∖ ⋃ A → e ∩ ⋃ A = ∅
59 58 fveq2d ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ e ∩ ⋃ A = e ∖ ⋃ A → M ⁡ e ∩ ⋃ A = M ⁡ ∅
60 3 ad2antrr ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ e ∩ ⋃ A = e ∖ ⋃ A → M ⁡ ∅ = 0
61 59 60 eqtrd ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ e ∩ ⋃ A = e ∖ ⋃ A → M ⁡ e ∩ ⋃ A = 0
62 61 orcd ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O ∧ e ∩ ⋃ A = e ∖ ⋃ A → M ⁡ e ∩ ⋃ A = 0 ∨ M ⁡ e ∩ ⋃ A = +∞
63 62 ex ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → e ∩ ⋃ A = e ∖ ⋃ A → M ⁡ e ∩ ⋃ A = 0 ∨ M ⁡ e ∩ ⋃ A = +∞
64 49 51 26 27 52 53 63 esumpr2 ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → ∑ * y ∈ e ∩ ⋃ A e ∖ ⋃ A M ⁡ y = M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A
65 42 47 64 3brtr3d ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ≤ M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A
66 19 65 jca ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A ≤ M ⁡ e ∧ M ⁡ e ≤ M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A
67 iccssxr ⊢ 0 +∞ ⊆ ℝ *
68 67 52 sselid ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∩ ⋃ A ∈ ℝ *
69 67 53 sselid ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∖ ⋃ A ∈ ℝ *
70 68 69 xaddcld ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A ∈ ℝ *
71 2 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∈ 0 +∞
72 67 71 sselid ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∈ ℝ *
73 xrletri3 ⊢ M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A ∈ ℝ * ∧ M ⁡ e ∈ ℝ * → M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A = M ⁡ e ↔ M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A ≤ M ⁡ e ∧ M ⁡ e ≤ M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A
74 70 72 73 syl2anc ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A = M ⁡ e ↔ M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A ≤ M ⁡ e ∧ M ⁡ e ≤ M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A
75 66 74 mpbird ⊢ φ ∧ e ∈ 𝒫 O → M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A = M ⁡ e
76 75 ralrimiva ⊢ φ → ∀ e ∈ 𝒫 O M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A = M ⁡ e
77 1 2 elcarsg ⊢ φ → ⋃ A ∈ toCaraSiga ⁡ M ↔ ⋃ A ⊆ O ∧ ∀ e ∈ 𝒫 O M ⁡ e ∩ ⋃ A + 𝑒 M ⁡ e ∖ ⋃ A = M ⁡ e
78 10 76 77 mpbir2and ⊢ φ → ⋃ A ∈ toCaraSiga ⁡ M