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Theorem hspmbllem3

Description: Any half-space of the n-dimensional Real numbers is Lebesgue measurable. Lemma 115F of Fremlin1 p. 31. This proof handles the non-trivial cases (nonzero dimension and finite outer measure). (Contributed by Glauco Siliprandi, 24-Dec-2020)

Ref Expression
Hypotheses hspmbllem3.h ⊢ H = x ∈ Fin ⟼ l ∈ x , y ∈ ℝ ⟼ ⨉ k ∈ x if k = l −∞ y ℝ
hspmbllem3.x ⊢ φ → X ∈ Fin
hspmbllem3.i ⊢ φ → K ∈ X
hspmbllem3.y ⊢ φ → Y ∈ ℝ
hspmbllem3.a ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∈ ℝ
hspmbllem3.s ⊢ φ → A ⊆ ℝ X
hspmbllem3.c ⊢ C = a ∈ 𝒫 ℝ X ⟼ l ∈ ℝ 2 X ℕ | a ⊆ ⋃ j ∈ ℕ ⨉ k ∈ X . ∘ l ⁡ j ⁡ k
hspmbllem3.l ⊢ L = h ∈ ℝ 2 X ⟼ ∏ k ∈ X vol ⁡ . ∘ h ⁡ k
hspmbllem3.d ⊢ D = a ∈ 𝒫 ℝ X ⟼ r ∈ ℝ + ⟼ i ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ i ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r
hspmbllem3.10 ⊢ B = j ∈ ℕ ⟼ k ∈ X ⟼ 1 st ⁡ i ⁡ j ⁡ k
hspmbllem3.11 ⊢ T = j ∈ ℕ ⟼ k ∈ X ⟼ 2 nd ⁡ i ⁡ j ⁡ k
Assertion hspmbllem3 ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + 𝑒 voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 hspmbllem3.h ⊢ H = x ∈ Fin ⟼ l ∈ x , y ∈ ℝ ⟼ ⨉ k ∈ x if k = l −∞ y ℝ
2 hspmbllem3.x ⊢ φ → X ∈ Fin
3 hspmbllem3.i ⊢ φ → K ∈ X
4 hspmbllem3.y ⊢ φ → Y ∈ ℝ
5 hspmbllem3.a ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∈ ℝ
6 hspmbllem3.s ⊢ φ → A ⊆ ℝ X
7 hspmbllem3.c ⊢ C = a ∈ 𝒫 ℝ X ⟼ l ∈ ℝ 2 X ℕ | a ⊆ ⋃ j ∈ ℕ ⨉ k ∈ X . ∘ l ⁡ j ⁡ k
8 hspmbllem3.l ⊢ L = h ∈ ℝ 2 X ⟼ ∏ k ∈ X vol ⁡ . ∘ h ⁡ k
9 hspmbllem3.d ⊢ D = a ∈ 𝒫 ℝ X ⟼ r ∈ ℝ + ⟼ i ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ i ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r
10 hspmbllem3.10 ⊢ B = j ∈ ℕ ⟼ k ∈ X ⟼ 1 st ⁡ i ⁡ j ⁡ k
11 hspmbllem3.11 ⊢ T = j ∈ ℕ ⟼ k ∈ X ⟼ 2 nd ⁡ i ⁡ j ⁡ k
12 inss1 ⊢ A ∩ K H ⁡ X Y ⊆ A
13 12 6 sstrid ⊢ φ → A ∩ K H ⁡ X Y ⊆ ℝ X
14 2 13 ovncl ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y ∈ 0 +∞
15 12 a1i ⊢ φ → A ∩ K H ⁡ X Y ⊆ A
16 2 15 6 ovnssle ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A
17 5 14 16 ge0lere ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y ∈ ℝ
18 6 ssdifssd ⊢ φ → A ∖ K H ⁡ X Y ⊆ ℝ X
19 2 18 ovncl ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ∈ 0 +∞
20 difssd ⊢ φ → A ∖ K H ⁡ X Y ⊆ A
21 2 20 6 ovnssle ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A
22 5 19 21 ge0lere ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ∈ ℝ
23 rexadd ⊢ voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y ∈ ℝ ∧ voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ∈ ℝ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + 𝑒 voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y = voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y
24 17 22 23 syl2anc ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + 𝑒 voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y = voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y
25 2 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → X ∈ Fin
26 3 ne0d ⊢ φ → X ≠ ∅
27 26 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → X ≠ ∅
28 6 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → A ⊆ ℝ X
29 simpr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → e ∈ ℝ +
30 25 27 28 29 7 8 9 ovncvrrp ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → ∃ i i ∈ D ⁡ A ⁡ e
31 25 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → X ∈ Fin
32 3 ad2antrr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → K ∈ X
33 4 ad2antrr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → Y ∈ ℝ
34 29 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → e ∈ ℝ +
35 28 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → A ⊆ ℝ X
36 fveq1 ⊢ i = h → i ⁡ j = h ⁡ j
37 36 fveq2d ⊢ i = h → L ⁡ i ⁡ j = L ⁡ h ⁡ j
38 37 mpteq2dv ⊢ i = h → j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ i ⁡ j = j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ h ⁡ j
39 38 fveq2d ⊢ i = h → sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ i ⁡ j = sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ h ⁡ j
40 39 breq1d ⊢ i = h → sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ i ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r ↔ sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ h ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r
41 40 cbvrabv ⊢ i ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ i ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r = h ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ h ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r
42 41 mpteq2i ⊢ r ∈ ℝ + ⟼ i ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ i ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r = r ∈ ℝ + ⟼ h ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ h ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r
43 42 mpteq2i ⊢ a ∈ 𝒫 ℝ X ⟼ r ∈ ℝ + ⟼ i ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ i ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r = a ∈ 𝒫 ℝ X ⟼ r ∈ ℝ + ⟼ h ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ h ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r
44 9 43 eqtri ⊢ D = a ∈ 𝒫 ℝ X ⟼ r ∈ ℝ + ⟼ h ∈ C ⁡ a | sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ L ⁡ h ⁡ j ≤ voln* ⁡ X ⁡ a + 𝑒 r
45 simpr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → i ∈ D ⁡ A ⁡ e
46 31 35 34 7 8 44 45 10 11 ovncvr2 ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → B : ℕ ⟶ ℝ X ∧ T : ℕ ⟶ ℝ X ∧ A ⊆ ⋃ j ∈ ℕ ⨉ k ∈ X B ⁡ j ⁡ k T ⁡ j ⁡ k ∧ sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ ∏ k ∈ X vol ⁡ B ⁡ j ⁡ k T ⁡ j ⁡ k ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + 𝑒 e
47 46 simplld ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → B : ℕ ⟶ ℝ X ∧ T : ℕ ⟶ ℝ X
48 47 simpld ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → B : ℕ ⟶ ℝ X
49 47 simprd ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → T : ℕ ⟶ ℝ X
50 46 simplrd ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → A ⊆ ⋃ j ∈ ℕ ⨉ k ∈ X B ⁡ j ⁡ k T ⁡ j ⁡ k
51 46 simprd ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ ∏ k ∈ X vol ⁡ B ⁡ j ⁡ k T ⁡ j ⁡ k ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + 𝑒 e
52 5 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → voln* ⁡ X ⁡ A ∈ ℝ
53 29 rpred ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → e ∈ ℝ
54 52 53 rexaddd ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → voln* ⁡ X ⁡ A + 𝑒 e = voln* ⁡ X ⁡ A + e
55 54 adantr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → voln* ⁡ X ⁡ A + 𝑒 e = voln* ⁡ X ⁡ A + e
56 51 55 breqtrd ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → sum^ ⁡ j ∈ ℕ ⟼ ∏ k ∈ X vol ⁡ B ⁡ j ⁡ k T ⁡ j ⁡ k ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + e
57 5 ad2antrr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → voln* ⁡ X ⁡ A ∈ ℝ
58 17 ad2antrr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y ∈ ℝ
59 22 ad2antrr ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ∈ ℝ
60 eqid ⊢ x ∈ Fin ⟼ a ∈ ℝ x , b ∈ ℝ x ⟼ if x = ∅ 0 ∏ k ∈ x vol ⁡ a ⁡ k b ⁡ k = x ∈ Fin ⟼ a ∈ ℝ x , b ∈ ℝ x ⟼ if x = ∅ 0 ∏ k ∈ x vol ⁡ a ⁡ k b ⁡ k
61 eqid ⊢ y ∈ ℝ ⟼ c ∈ ℝ X ⟼ h ∈ X ⟼ if h ∈ X ∖ K c ⁡ h if c ⁡ h ≤ y c ⁡ h y = y ∈ ℝ ⟼ c ∈ ℝ X ⟼ h ∈ X ⟼ if h ∈ X ∖ K c ⁡ h if c ⁡ h ≤ y c ⁡ h y
62 eqid ⊢ x ∈ ℝ ⟼ c ∈ ℝ X ⟼ h ∈ X ⟼ if h = K if x ≤ c ⁡ h c ⁡ h x c ⁡ h = x ∈ ℝ ⟼ c ∈ ℝ X ⟼ h ∈ X ⟼ if h = K if x ≤ c ⁡ h c ⁡ h x c ⁡ h
63 1 31 32 33 34 48 49 50 56 57 58 59 60 61 62 hspmbllem2 ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + ∧ i ∈ D ⁡ A ⁡ e → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + e
64 63 ex ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → i ∈ D ⁡ A ⁡ e → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + e
65 64 exlimdv ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → ∃ i i ∈ D ⁡ A ⁡ e → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + e
66 30 65 mpd ⊢ φ ∧ e ∈ ℝ + → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + e
67 66 ralrimiva ⊢ φ → ∀ e ∈ ℝ + voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + e
68 17 22 readdcld ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ∈ ℝ
69 alrple ⊢ voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ∈ ℝ ∧ voln* ⁡ X ⁡ A ∈ ℝ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A ↔ ∀ e ∈ ℝ + voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + e
70 68 5 69 syl2anc ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A ↔ ∀ e ∈ ℝ + voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A + e
71 67 70 mpbird ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A
72 24 71 eqbrtrd ⊢ φ → voln* ⁡ X ⁡ A ∩ K H ⁡ X Y + 𝑒 voln* ⁡ X ⁡ A ∖ K H ⁡ X Y ≤ voln* ⁡ X ⁡ A