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Theorem mbfaddlem

Description: The sum of two measurable functions is measurable. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Aug-2014)

Ref Expression
Hypotheses mbfadd.1 ⊢ φ → F ∈ MblFn
mbfadd.2 ⊢ φ → G ∈ MblFn
mbfadd.3 ⊢ φ → F : A ⟶ ℝ
mbfadd.4 ⊢ φ → G : A ⟶ ℝ
Assertion mbfaddlem ⊢ φ → F + f G ∈ MblFn

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 mbfadd.1 ⊢ φ → F ∈ MblFn
2 mbfadd.2 ⊢ φ → G ∈ MblFn
3 mbfadd.3 ⊢ φ → F : A ⟶ ℝ
4 mbfadd.4 ⊢ φ → G : A ⟶ ℝ
5 readdcl ⊢ x ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ → x + y ∈ ℝ
6 5 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ → x + y ∈ ℝ
7 3 fdmd ⊢ φ → dom ⁡ F = A
8 mbfdm ⊢ F ∈ MblFn → dom ⁡ F ∈ dom ⁡ vol
9 1 8 syl ⊢ φ → dom ⁡ F ∈ dom ⁡ vol
10 7 9 eqeltrrd ⊢ φ → A ∈ dom ⁡ vol
11 inidm ⊢ A ∩ A = A
12 6 3 4 10 10 11 off ⊢ φ → F + f G : A ⟶ ℝ
13 eliun ⊢ x ∈ ⋃ r ∈ ℚ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ↔ ∃ r ∈ ℚ x ∈ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞
14 r19.42v ⊢ ∃ r ∈ ℚ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ x ∈ A ∧ ∃ r ∈ ℚ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞
15 simplr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → y ∈ ℝ
16 4 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → G : A ⟶ ℝ
17 16 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → G ⁡ x ∈ ℝ
18 3 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → F : A ⟶ ℝ
19 18 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → F ⁡ x ∈ ℝ
20 15 17 19 ltsubaddd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → y − G ⁡ x < F ⁡ x ↔ y < F ⁡ x + G ⁡ x
21 15 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → y ∈ ℝ
22 qre ⊢ r ∈ ℚ → r ∈ ℝ
23 22 adantl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → r ∈ ℝ
24 17 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → G ⁡ x ∈ ℝ
25 ltsub23 ⊢ y ∈ ℝ ∧ r ∈ ℝ ∧ G ⁡ x ∈ ℝ → y − r < G ⁡ x ↔ y − G ⁡ x < r
26 21 23 24 25 syl3anc ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → y − r < G ⁡ x ↔ y − G ⁡ x < r
27 26 anbi1cd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → r < F ⁡ x ∧ y − r < G ⁡ x ↔ y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x
28 27 rexbidva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → ∃ r ∈ ℚ r < F ⁡ x ∧ y − r < G ⁡ x ↔ ∃ r ∈ ℚ y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x
29 15 17 resubcld ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → y − G ⁡ x ∈ ℝ
30 29 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → y − G ⁡ x ∈ ℝ
31 19 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → F ⁡ x ∈ ℝ
32 lttr ⊢ y − G ⁡ x ∈ ℝ ∧ r ∈ ℝ ∧ F ⁡ x ∈ ℝ → y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x → y − G ⁡ x < F ⁡ x
33 30 23 31 32 syl3anc ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x → y − G ⁡ x < F ⁡ x
34 33 rexlimdva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → ∃ r ∈ ℚ y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x → y − G ⁡ x < F ⁡ x
35 qbtwnre ⊢ y − G ⁡ x ∈ ℝ ∧ F ⁡ x ∈ ℝ ∧ y − G ⁡ x < F ⁡ x → ∃ r ∈ ℚ y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x
36 35 3expia ⊢ y − G ⁡ x ∈ ℝ ∧ F ⁡ x ∈ ℝ → y − G ⁡ x < F ⁡ x → ∃ r ∈ ℚ y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x
37 29 19 36 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → y − G ⁡ x < F ⁡ x → ∃ r ∈ ℚ y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x
38 34 37 impbid ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → ∃ r ∈ ℚ y − G ⁡ x < r ∧ r < F ⁡ x ↔ y − G ⁡ x < F ⁡ x
39 28 38 bitrd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → ∃ r ∈ ℚ r < F ⁡ x ∧ y − r < G ⁡ x ↔ y − G ⁡ x < F ⁡ x
40 3 ffnd ⊢ φ → F Fn A
41 40 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → F Fn A
42 4 ffnd ⊢ φ → G Fn A
43 42 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → G Fn A
44 10 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → A ∈ dom ⁡ vol
45 eqidd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → F ⁡ x = F ⁡ x
46 eqidd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → G ⁡ x = G ⁡ x
47 41 43 44 44 11 45 46 ofval ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → F + f G ⁡ x = F ⁡ x + G ⁡ x
48 47 breq2d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → y < F + f G ⁡ x ↔ y < F ⁡ x + G ⁡ x
49 20 39 48 3bitr4d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → ∃ r ∈ ℚ r < F ⁡ x ∧ y − r < G ⁡ x ↔ y < F + f G ⁡ x
50 23 rexrd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → r ∈ ℝ *
51 elioopnf ⊢ r ∈ ℝ * → F ⁡ x ∈ r +∞ ↔ F ⁡ x ∈ ℝ ∧ r < F ⁡ x
52 50 51 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → F ⁡ x ∈ r +∞ ↔ F ⁡ x ∈ ℝ ∧ r < F ⁡ x
53 31 52 mpbirand ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → F ⁡ x ∈ r +∞ ↔ r < F ⁡ x
54 21 23 resubcld ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → y − r ∈ ℝ
55 54 rexrd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → y − r ∈ ℝ *
56 elioopnf ⊢ y − r ∈ ℝ * → G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ G ⁡ x ∈ ℝ ∧ y − r < G ⁡ x
57 55 56 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ G ⁡ x ∈ ℝ ∧ y − r < G ⁡ x
58 24 57 mpbirand ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ y − r < G ⁡ x
59 53 58 anbi12d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A ∧ r ∈ ℚ → F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ r < F ⁡ x ∧ y − r < G ⁡ x
60 59 rexbidva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → ∃ r ∈ ℚ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ ∃ r ∈ ℚ r < F ⁡ x ∧ y − r < G ⁡ x
61 12 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → F + f G : A ⟶ ℝ
62 61 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → F + f G ⁡ x ∈ ℝ
63 15 rexrd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → y ∈ ℝ *
64 elioopnf ⊢ y ∈ ℝ * → F + f G ⁡ x ∈ y +∞ ↔ F + f G ⁡ x ∈ ℝ ∧ y < F + f G ⁡ x
65 63 64 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → F + f G ⁡ x ∈ y +∞ ↔ F + f G ⁡ x ∈ ℝ ∧ y < F + f G ⁡ x
66 62 65 mpbirand ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → F + f G ⁡ x ∈ y +∞ ↔ y < F + f G ⁡ x
67 49 60 66 3bitr4d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ x ∈ A → ∃ r ∈ ℚ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ F + f G ⁡ x ∈ y +∞
68 67 pm5.32da ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → x ∈ A ∧ ∃ r ∈ ℚ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ x ∈ A ∧ F + f G ⁡ x ∈ y +∞
69 14 68 bitrid ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∃ r ∈ ℚ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ x ∈ A ∧ F + f G ⁡ x ∈ y +∞
70 elpreima ⊢ F Fn A → x ∈ F -1 r +∞ ↔ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞
71 41 70 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → x ∈ F -1 r +∞ ↔ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞
72 elpreima ⊢ G Fn A → x ∈ G -1 y − r +∞ ↔ x ∈ A ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞
73 43 72 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → x ∈ G -1 y − r +∞ ↔ x ∈ A ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞
74 71 73 anbi12d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → x ∈ F -1 r +∞ ∧ x ∈ G -1 y − r +∞ ↔ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ x ∈ A ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞
75 elin ⊢ x ∈ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ↔ x ∈ F -1 r +∞ ∧ x ∈ G -1 y − r +∞
76 anandi ⊢ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞ ↔ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ x ∈ A ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞
77 74 75 76 3bitr4g ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → x ∈ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ↔ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞
78 77 rexbidv ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∃ r ∈ ℚ x ∈ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ↔ ∃ r ∈ ℚ x ∈ A ∧ F ⁡ x ∈ r +∞ ∧ G ⁡ x ∈ y − r +∞
79 12 ffnd ⊢ φ → F + f G Fn A
80 79 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → F + f G Fn A
81 elpreima ⊢ F + f G Fn A → x ∈ F + f G -1 y +∞ ↔ x ∈ A ∧ F + f G ⁡ x ∈ y +∞
82 80 81 syl ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → x ∈ F + f G -1 y +∞ ↔ x ∈ A ∧ F + f G ⁡ x ∈ y +∞
83 69 78 82 3bitr4d ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∃ r ∈ ℚ x ∈ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ↔ x ∈ F + f G -1 y +∞
84 13 83 bitrid ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → x ∈ ⋃ r ∈ ℚ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ↔ x ∈ F + f G -1 y +∞
85 84 eqrdv ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ⋃ r ∈ ℚ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ = F + f G -1 y +∞
86 qnnen ⊢ ℚ ≈ ℕ
87 endom ⊢ ℚ ≈ ℕ → ℚ ≼ ℕ
88 86 87 ax-mp ⊢ ℚ ≼ ℕ
89 mbfima ⊢ F ∈ MblFn ∧ F : A ⟶ ℝ → F -1 r +∞ ∈ dom ⁡ vol
90 1 3 89 syl2anc ⊢ φ → F -1 r +∞ ∈ dom ⁡ vol
91 mbfima ⊢ G ∈ MblFn ∧ G : A ⟶ ℝ → G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol
92 2 4 91 syl2anc ⊢ φ → G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol
93 inmbl ⊢ F -1 r +∞ ∈ dom ⁡ vol ∧ G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol → F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol
94 90 92 93 syl2anc ⊢ φ → F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol
95 94 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ ∧ r ∈ ℚ → F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol
96 95 ralrimiva ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ∀ r ∈ ℚ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol
97 iunmbl2 ⊢ ℚ ≼ ℕ ∧ ∀ r ∈ ℚ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol → ⋃ r ∈ ℚ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol
98 88 96 97 sylancr ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → ⋃ r ∈ ℚ F -1 r +∞ ∩ G -1 y − r +∞ ∈ dom ⁡ vol
99 85 98 eqeltrrd ⊢ φ ∧ y ∈ ℝ → F + f G -1 y +∞ ∈ dom ⁡ vol
100 12 99 ismbf3d ⊢ φ → F + f G ∈ MblFn