Metamath Proof Explorer


Theorem itg2cn

Description: A sort of absolute continuity of the Lebesgue integral (this is the core of ftc1a which is about actual absolute continuity). (Contributed by Mario Carneiro, 1-Sep-2014)

Ref Expression
Hypotheses itg2cn.1 ⊢ φ → F : ℝ ⟶ 0 +∞
itg2cn.2 ⊢ φ → F ∈ MblFn
itg2cn.3 ⊢ φ → ∫ 2 ⁡ F ∈ ℝ
itg2cn.4 ⊢ φ → C ∈ ℝ +
Assertion itg2cn ⊢ φ → ∃ d ∈ ℝ + ∀ u ∈ dom ⁡ vol vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 < C

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 itg2cn.1 ⊢ φ → F : ℝ ⟶ 0 +∞
2 itg2cn.2 ⊢ φ → F ∈ MblFn
3 itg2cn.3 ⊢ φ → ∫ 2 ⁡ F ∈ ℝ
4 itg2cn.4 ⊢ φ → C ∈ ℝ +
5 4 rphalfcld ⊢ φ → C 2 ∈ ℝ +
6 3 5 ltsubrpd ⊢ φ → ∫ 2 ⁡ F − C 2 < ∫ 2 ⁡ F
7 5 rpred ⊢ φ → C 2 ∈ ℝ
8 3 7 resubcld ⊢ φ → ∫ 2 ⁡ F − C 2 ∈ ℝ
9 8 3 ltnled ⊢ φ → ∫ 2 ⁡ F − C 2 < ∫ 2 ⁡ F ↔ ¬ ∫ 2 ⁡ F ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
10 6 9 mpbid ⊢ φ → ¬ ∫ 2 ⁡ F ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
11 1 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → F ⁡ x ∈ 0 +∞
12 elrege0 ⊢ F ⁡ x ∈ 0 +∞ ↔ F ⁡ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ F ⁡ x
13 11 12 sylib ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → F ⁡ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ F ⁡ x
14 13 simpld ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → F ⁡ x ∈ ℝ
15 14 rexrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → F ⁡ x ∈ ℝ *
16 13 simprd ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → 0 ≤ F ⁡ x
17 elxrge0 ⊢ F ⁡ x ∈ 0 +∞ ↔ F ⁡ x ∈ ℝ * ∧ 0 ≤ F ⁡ x
18 15 16 17 sylanbrc ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → F ⁡ x ∈ 0 +∞
19 0e0iccpnf ⊢ 0 ∈ 0 +∞
20 ifcl ⊢ F ⁡ x ∈ 0 +∞ ∧ 0 ∈ 0 +∞ → if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ∈ 0 +∞
21 18 19 20 sylancl ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ∈ 0 +∞
22 21 adantlr ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ ∧ x ∈ ℝ → if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ∈ 0 +∞
23 22 fmpttd ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ → x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 : ℝ ⟶ 0 +∞
24 itg2cl ⊢ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 : ℝ ⟶ 0 +∞ → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ∈ ℝ *
25 23 24 syl ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ∈ ℝ *
26 25 fmpttd ⊢ φ → n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 : ℕ ⟶ ℝ *
27 26 frnd ⊢ φ → ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ⊆ ℝ *
28 8 rexrd ⊢ φ → ∫ 2 ⁡ F − C 2 ∈ ℝ *
29 supxrleub ⊢ ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ⊆ ℝ * ∧ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ∈ ℝ * → sup ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ℝ * < ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∀ z ∈ ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 z ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
30 27 28 29 syl2anc ⊢ φ → sup ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ℝ * < ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∀ z ∈ ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 z ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
31 1 2 3 itg2cnlem1 ⊢ φ → sup ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ℝ * < = ∫ 2 ⁡ F
32 31 breq1d ⊢ φ → sup ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ℝ * < ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∫ 2 ⁡ F ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
33 26 ffnd ⊢ φ → n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 Fn ℕ
34 breq1 ⊢ z = n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ⁡ m → z ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ⁡ m ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
35 34 ralrn ⊢ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 Fn ℕ → ∀ z ∈ ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 z ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∀ m ∈ ℕ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ⁡ m ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
36 breq2 ⊢ n = m → F ⁡ x ≤ n ↔ F ⁡ x ≤ m
37 36 ifbid ⊢ n = m → if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 = if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0
38 37 mpteq2dv ⊢ n = m → x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 = x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0
39 38 fveq2d ⊢ n = m → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 = ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0
40 eqid ⊢ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 = n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0
41 fvex ⊢ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ∈ V
42 39 40 41 fvmpt ⊢ m ∈ ℕ → n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ⁡ m = ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0
43 42 breq1d ⊢ m ∈ ℕ → n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ⁡ m ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
44 43 ralbiia ⊢ ∀ m ∈ ℕ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 ⁡ m ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∀ m ∈ ℕ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
45 35 44 bitrdi ⊢ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 Fn ℕ → ∀ z ∈ ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 z ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∀ m ∈ ℕ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
46 33 45 syl ⊢ φ → ∀ z ∈ ran ⁡ n ∈ ℕ ⟼ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ n F ⁡ x 0 z ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∀ m ∈ ℕ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
47 30 32 46 3bitr3d ⊢ φ → ∫ 2 ⁡ F ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∀ m ∈ ℕ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
48 10 47 mtbid ⊢ φ → ¬ ∀ m ∈ ℕ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
49 rexnal ⊢ ∃ m ∈ ℕ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ¬ ∀ m ∈ ℕ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
50 48 49 sylibr ⊢ φ → ∃ m ∈ ℕ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
51 1 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → F : ℝ ⟶ 0 +∞
52 2 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → F ∈ MblFn
53 3 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → ∫ 2 ⁡ F ∈ ℝ
54 4 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → C ∈ ℝ +
55 simprl ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → m ∈ ℕ
56 simprr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
57 fveq2 ⊢ x = y → F ⁡ x = F ⁡ y
58 57 breq1d ⊢ x = y → F ⁡ x ≤ m ↔ F ⁡ y ≤ m
59 58 57 ifbieq1d ⊢ x = y → if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 = if F ⁡ y ≤ m F ⁡ y 0
60 59 cbvmptv ⊢ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 = y ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ y ≤ m F ⁡ y 0
61 60 fveq2i ⊢ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 = ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ y ≤ m F ⁡ y 0
62 61 breq1i ⊢ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 ↔ ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ y ≤ m F ⁡ y 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
63 56 62 sylnib ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → ¬ ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ y ≤ m F ⁡ y 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2
64 51 52 53 54 55 63 itg2cnlem2 ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → ∃ d ∈ ℝ + ∀ u ∈ dom ⁡ vol vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if y ∈ u F ⁡ y 0 < C
65 elequ1 ⊢ x = y → x ∈ u ↔ y ∈ u
66 65 57 ifbieq1d ⊢ x = y → if x ∈ u F ⁡ x 0 = if y ∈ u F ⁡ y 0
67 66 cbvmptv ⊢ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 = y ∈ ℝ ⟼ if y ∈ u F ⁡ y 0
68 67 fveq2i ⊢ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 = ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if y ∈ u F ⁡ y 0
69 68 breq1i ⊢ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 < C ↔ ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if y ∈ u F ⁡ y 0 < C
70 69 imbi2i ⊢ vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 < C ↔ vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if y ∈ u F ⁡ y 0 < C
71 70 ralbii ⊢ ∀ u ∈ dom ⁡ vol vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 < C ↔ ∀ u ∈ dom ⁡ vol vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if y ∈ u F ⁡ y 0 < C
72 71 rexbii ⊢ ∃ d ∈ ℝ + ∀ u ∈ dom ⁡ vol vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 < C ↔ ∃ d ∈ ℝ + ∀ u ∈ dom ⁡ vol vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ y ∈ ℝ ⟼ if y ∈ u F ⁡ y 0 < C
73 64 72 sylibr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ ∧ ¬ ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if F ⁡ x ≤ m F ⁡ x 0 ≤ ∫ 2 ⁡ F − C 2 → ∃ d ∈ ℝ + ∀ u ∈ dom ⁡ vol vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 < C
74 50 73 rexlimddv ⊢ φ → ∃ d ∈ ℝ + ∀ u ∈ dom ⁡ vol vol ⁡ u < d → ∫ 2 ⁡ x ∈ ℝ ⟼ if x ∈ u F ⁡ x 0 < C