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Theorem volsup

Description: The volume of the limit of an increasing sequence of measurable sets is the limit of the volumes. (Contributed by Mario Carneiro, 14-Aug-2014) (Revised by Mario Carneiro, 11-Dec-2016)

Ref Expression
Assertion volsup F:domvolnFnFn+1volranF=supvolranF*<

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ffvelcdm F:domvolkFkdomvol
2 1 ad2ant2r F:domvolnFnFn+1kvolFkFkdomvol
3 fzofi 1..^kFin
4 simpll F:domvolnFnFn+1kvolFkF:domvol
5 elfzouz m1..^km1
6 nnuz =1
7 5 6 eleqtrrdi m1..^km
8 ffvelcdm F:domvolmFmdomvol
9 4 7 8 syl2an F:domvolnFnFn+1kvolFkm1..^kFmdomvol
10 9 ralrimiva F:domvolnFnFn+1kvolFkm1..^kFmdomvol
11 finiunmbl 1..^kFinm1..^kFmdomvolm1..^kFmdomvol
12 3 10 11 sylancr F:domvolnFnFn+1kvolFkm1..^kFmdomvol
13 difmbl Fkdomvolm1..^kFmdomvolFkm1..^kFmdomvol
14 2 12 13 syl2anc F:domvolnFnFn+1kvolFkFkm1..^kFmdomvol
15 mblvol Fkm1..^kFmdomvolvolFkm1..^kFm=vol*Fkm1..^kFm
16 14 15 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkvolFkm1..^kFm=vol*Fkm1..^kFm
17 difssd F:domvolnFnFn+1kvolFkFkm1..^kFmFk
18 mblss FkdomvolFk
19 2 18 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkFk
20 mblvol FkdomvolvolFk=vol*Fk
21 2 20 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkvolFk=vol*Fk
22 simprr F:domvolnFnFn+1kvolFkvolFk
23 21 22 eqeltrrd F:domvolnFnFn+1kvolFkvol*Fk
24 ovolsscl Fkm1..^kFmFkFkvol*Fkvol*Fkm1..^kFm
25 17 19 23 24 syl3anc F:domvolnFnFn+1kvolFkvol*Fkm1..^kFm
26 16 25 eqeltrd F:domvolnFnFn+1kvolFkvolFkm1..^kFm
27 14 26 jca F:domvolnFnFn+1kvolFkFkm1..^kFmdomvolvolFkm1..^kFm
28 27 expr F:domvolnFnFn+1kvolFkFkm1..^kFmdomvolvolFkm1..^kFm
29 28 ralimdva F:domvolnFnFn+1kvolFkkFkm1..^kFmdomvolvolFkm1..^kFm
30 29 imp F:domvolnFnFn+1kvolFkkFkm1..^kFmdomvolvolFkm1..^kFm
31 fveq2 k=mFk=Fm
32 31 iundisj2 DisjkFkm1..^kFm
33 eqid seq1+kvolFkm1..^kFm=seq1+kvolFkm1..^kFm
34 eqid kvolFkm1..^kFm=kvolFkm1..^kFm
35 33 34 voliun kFkm1..^kFmdomvolvolFkm1..^kFmDisjkFkm1..^kFmvolkFkm1..^kFm=supranseq1+kvolFkm1..^kFm*<
36 30 32 35 sylancl F:domvolnFnFn+1kvolFkvolkFkm1..^kFm=supranseq1+kvolFkm1..^kFm*<
37 31 iundisj kFk=kFkm1..^kFm
38 ffn F:domvolFFn
39 38 ad2antrr F:domvolnFnFn+1kvolFkFFn
40 fniunfv FFnkFk=ranF
41 39 40 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkkFk=ranF
42 37 41 eqtr3id F:domvolnFnFn+1kvolFkkFkm1..^kFm=ranF
43 42 fveq2d F:domvolnFnFn+1kvolFkvolkFkm1..^kFm=volranF
44 1z 1
45 seqfn 1seq1+kvolFkm1..^kFmFn1
46 44 45 ax-mp seq1+kvolFkm1..^kFmFn1
47 6 fneq2i seq1+kvolFkm1..^kFmFnseq1+kvolFkm1..^kFmFn1
48 46 47 mpbir seq1+kvolFkm1..^kFmFn
49 48 a1i F:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmFn
50 volf vol:domvol0+∞
51 simpll F:domvolnFnFn+1kvolFkF:domvol
52 fco vol:domvol0+∞F:domvolvolF:0+∞
53 50 51 52 sylancr F:domvolnFnFn+1kvolFkvolF:0+∞
54 53 ffnd F:domvolnFnFn+1kvolFkvolFFn
55 fveq2 x=1seq1+kvolFkm1..^kFmx=seq1+kvolFkm1..^kFm1
56 2fveq3 x=1volFx=volF1
57 55 56 eqeq12d x=1seq1+kvolFkm1..^kFmx=volFxseq1+kvolFkm1..^kFm1=volF1
58 57 imbi2d x=1F:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmx=volFxF:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFm1=volF1
59 fveq2 x=jseq1+kvolFkm1..^kFmx=seq1+kvolFkm1..^kFmj
60 2fveq3 x=jvolFx=volFj
61 59 60 eqeq12d x=jseq1+kvolFkm1..^kFmx=volFxseq1+kvolFkm1..^kFmj=volFj
62 61 imbi2d x=jF:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmx=volFxF:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmj=volFj
63 fveq2 x=j+1seq1+kvolFkm1..^kFmx=seq1+kvolFkm1..^kFmj+1
64 2fveq3 x=j+1volFx=volFj+1
65 63 64 eqeq12d x=j+1seq1+kvolFkm1..^kFmx=volFxseq1+kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+1
66 65 imbi2d x=j+1F:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmx=volFxF:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+1
67 seq1 1seq1+kvolFkm1..^kFm1=kvolFkm1..^kFm1
68 44 67 ax-mp seq1+kvolFkm1..^kFm1=kvolFkm1..^kFm1
69 1nn 1
70 oveq2 k=11..^k=1..^1
71 fzo0 1..^1=
72 70 71 eqtrdi k=11..^k=
73 72 iuneq1d k=1m1..^kFm=mFm
74 0iun mFm=
75 73 74 eqtrdi k=1m1..^kFm=
76 75 difeq2d k=1Fkm1..^kFm=Fk
77 dif0 Fk=Fk
78 76 77 eqtrdi k=1Fkm1..^kFm=Fk
79 fveq2 k=1Fk=F1
80 78 79 eqtrd k=1Fkm1..^kFm=F1
81 80 fveq2d k=1volFkm1..^kFm=volF1
82 fvex volF1V
83 81 34 82 fvmpt 1kvolFkm1..^kFm1=volF1
84 69 83 ax-mp kvolFkm1..^kFm1=volF1
85 68 84 eqtri seq1+kvolFkm1..^kFm1=volF1
86 85 a1i F:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFm1=volF1
87 oveq1 seq1+kvolFkm1..^kFmj=volFjseq1+kvolFkm1..^kFmj+kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+kvolFkm1..^kFmj+1
88 seqp1 j1seq1+kvolFkm1..^kFmj+1=seq1+kvolFkm1..^kFmj+kvolFkm1..^kFmj+1
89 88 6 eleq2s jseq1+kvolFkm1..^kFmj+1=seq1+kvolFkm1..^kFmj+kvolFkm1..^kFmj+1
90 89 adantl F:domvolnFnFn+1kvolFkjseq1+kvolFkm1..^kFmj+1=seq1+kvolFkm1..^kFmj+kvolFkm1..^kFmj+1
91 undif2 FjFj+1Fj=FjFj+1
92 fveq2 n=jFn=Fj
93 fvoveq1 n=jFn+1=Fj+1
94 92 93 sseq12d n=jFnFn+1FjFj+1
95 simpllr F:domvolnFnFn+1kvolFkjnFnFn+1
96 simpr F:domvolnFnFn+1kvolFkjj
97 94 95 96 rspcdva F:domvolnFnFn+1kvolFkjFjFj+1
98 ssequn1 FjFj+1FjFj+1=Fj+1
99 97 98 sylib F:domvolnFnFn+1kvolFkjFjFj+1=Fj+1
100 91 99 eqtr2id F:domvolnFnFn+1kvolFkjFj+1=FjFj+1Fj
101 100 fveq2d F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+1=volFjFj+1Fj
102 simplll F:domvolnFnFn+1kvolFkjF:domvol
103 102 96 ffvelcdmd F:domvolnFnFn+1kvolFkjFjdomvol
104 peano2nn jj+1
105 104 adantl F:domvolnFnFn+1kvolFkjj+1
106 102 105 ffvelcdmd F:domvolnFnFn+1kvolFkjFj+1domvol
107 difmbl Fj+1domvolFjdomvolFj+1Fjdomvol
108 106 103 107 syl2anc F:domvolnFnFn+1kvolFkjFj+1Fjdomvol
109 disjdif FjFj+1Fj=
110 109 a1i F:domvolnFnFn+1kvolFkjFjFj+1Fj=
111 2fveq3 k=jvolFk=volFj
112 111 eleq1d k=jvolFkvolFj
113 simplr F:domvolnFnFn+1kvolFkjkvolFk
114 112 113 96 rspcdva F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj
115 mblvol Fj+1FjdomvolvolFj+1Fj=vol*Fj+1Fj
116 108 115 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+1Fj=vol*Fj+1Fj
117 difssd F:domvolnFnFn+1kvolFkjFj+1FjFj+1
118 mblss Fj+1domvolFj+1
119 106 118 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkjFj+1
120 mblvol Fj+1domvolvolFj+1=vol*Fj+1
121 106 120 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+1=vol*Fj+1
122 2fveq3 k=j+1volFk=volFj+1
123 122 eleq1d k=j+1volFkvolFj+1
124 123 113 105 rspcdva F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+1
125 121 124 eqeltrrd F:domvolnFnFn+1kvolFkjvol*Fj+1
126 ovolsscl Fj+1FjFj+1Fj+1vol*Fj+1vol*Fj+1Fj
127 117 119 125 126 syl3anc F:domvolnFnFn+1kvolFkjvol*Fj+1Fj
128 116 127 eqeltrd F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+1Fj
129 volun FjdomvolFj+1FjdomvolFjFj+1Fj=volFjvolFj+1FjvolFjFj+1Fj=volFj+volFj+1Fj
130 103 108 110 114 128 129 syl32anc F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFjFj+1Fj=volFj+volFj+1Fj
131 95 adantr F:domvolnFnFn+1kvolFkjm1jnFnFn+1
132 elfznn m1jm
133 132 adantl F:domvolnFnFn+1kvolFkjm1jm
134 elfzuz3 m1jjm
135 134 adantl F:domvolnFnFn+1kvolFkjm1jjm
136 volsuplem nFnFn+1mjmFmFj
137 131 133 135 136 syl12anc F:domvolnFnFn+1kvolFkjm1jFmFj
138 137 ralrimiva F:domvolnFnFn+1kvolFkjm1jFmFj
139 iunss m=1jFmFjm1jFmFj
140 138 139 sylibr F:domvolnFnFn+1kvolFkjm=1jFmFj
141 96 6 eleqtrdi F:domvolnFnFn+1kvolFkjj1
142 eluzfz2 j1j1j
143 141 142 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkjj1j
144 fveq2 m=jFm=Fj
145 144 ssiun2s j1jFjm=1jFm
146 143 145 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkjFjm=1jFm
147 140 146 eqssd F:domvolnFnFn+1kvolFkjm=1jFm=Fj
148 96 nnzd F:domvolnFnFn+1kvolFkjj
149 fzval3 j1j=1..^j+1
150 148 149 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkj1j=1..^j+1
151 150 iuneq1d F:domvolnFnFn+1kvolFkjm=1jFm=m1..^j+1Fm
152 147 151 eqtr3d F:domvolnFnFn+1kvolFkjFj=m1..^j+1Fm
153 152 difeq2d F:domvolnFnFn+1kvolFkjFj+1Fj=Fj+1m1..^j+1Fm
154 153 fveq2d F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+1Fj=volFj+1m1..^j+1Fm
155 fveq2 k=j+1Fk=Fj+1
156 oveq2 k=j+11..^k=1..^j+1
157 156 iuneq1d k=j+1m1..^kFm=m1..^j+1Fm
158 155 157 difeq12d k=j+1Fkm1..^kFm=Fj+1m1..^j+1Fm
159 158 fveq2d k=j+1volFkm1..^kFm=volFj+1m1..^j+1Fm
160 fvex volFj+1m1..^j+1FmV
161 159 34 160 fvmpt j+1kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+1m1..^j+1Fm
162 105 161 syl F:domvolnFnFn+1kvolFkjkvolFkm1..^kFmj+1=volFj+1m1..^j+1Fm
163 154 162 eqtr4d F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+1Fj=kvolFkm1..^kFmj+1
164 163 oveq2d F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+volFj+1Fj=volFj+kvolFkm1..^kFmj+1
165 101 130 164 3eqtrd F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj+1=volFj+kvolFkm1..^kFmj+1
166 90 165 eqeq12d F:domvolnFnFn+1kvolFkjseq1+kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+1seq1+kvolFkm1..^kFmj+kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+kvolFkm1..^kFmj+1
167 87 166 imbitrrid F:domvolnFnFn+1kvolFkjseq1+kvolFkm1..^kFmj=volFjseq1+kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+1
168 167 expcom jF:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmj=volFjseq1+kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+1
169 168 a2d jF:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmj=volFjF:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmj+1=volFj+1
170 58 62 66 62 86 169 nnind jF:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFmj=volFj
171 170 impcom F:domvolnFnFn+1kvolFkjseq1+kvolFkm1..^kFmj=volFj
172 fvco3 F:domvoljvolFj=volFj
173 51 172 sylan F:domvolnFnFn+1kvolFkjvolFj=volFj
174 171 173 eqtr4d F:domvolnFnFn+1kvolFkjseq1+kvolFkm1..^kFmj=volFj
175 49 54 174 eqfnfvd F:domvolnFnFn+1kvolFkseq1+kvolFkm1..^kFm=volF
176 175 rneqd F:domvolnFnFn+1kvolFkranseq1+kvolFkm1..^kFm=ranvolF
177 rnco2 ranvolF=volranF
178 176 177 eqtrdi F:domvolnFnFn+1kvolFkranseq1+kvolFkm1..^kFm=volranF
179 178 supeq1d F:domvolnFnFn+1kvolFksupranseq1+kvolFkm1..^kFm*<=supvolranF*<
180 36 43 179 3eqtr3d F:domvolnFnFn+1kvolFkvolranF=supvolranF*<
181 180 ex F:domvolnFnFn+1kvolFkvolranF=supvolranF*<
182 rexnal k¬volFk¬kvolFk
183 fniunfv FFnnFn=ranF
184 38 183 syl F:domvolnFn=ranF
185 ffvelcdm F:domvolnFndomvol
186 185 ralrimiva F:domvolnFndomvol
187 iunmbl nFndomvolnFndomvol
188 186 187 syl F:domvolnFndomvol
189 184 188 eqeltrrd F:domvolranFdomvol
190 189 ad2antrr F:domvolnFnFn+1k¬volFkranFdomvol
191 mblss ranFdomvolranF
192 190 191 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkranF
193 ovolcl ranFvol*ranF*
194 192 193 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*ranF*
195 pnfge vol*ranF*vol*ranF+∞
196 194 195 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*ranF+∞
197 simprr F:domvolnFnFn+1k¬volFk¬volFk
198 1 ad2ant2r F:domvolnFnFn+1k¬volFkFkdomvol
199 198 18 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkFk
200 ovolcl Fkvol*Fk*
201 199 200 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*Fk*
202 xrrebnd vol*Fk*vol*Fk−∞<vol*Fkvol*Fk<+∞
203 201 202 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*Fk−∞<vol*Fkvol*Fk<+∞
204 198 20 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkvolFk=vol*Fk
205 204 eleq1d F:domvolnFnFn+1k¬volFkvolFkvol*Fk
206 ovolge0 Fk0vol*Fk
207 mnflt0 −∞<0
208 mnfxr −∞*
209 0xr 0*
210 xrltletr −∞*0*vol*Fk*−∞<00vol*Fk−∞<vol*Fk
211 208 209 210 mp3an12 vol*Fk*−∞<00vol*Fk−∞<vol*Fk
212 207 211 mpani vol*Fk*0vol*Fk−∞<vol*Fk
213 200 206 212 sylc Fk−∞<vol*Fk
214 199 213 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFk−∞<vol*Fk
215 214 biantrurd F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*Fk<+∞−∞<vol*Fkvol*Fk<+∞
216 203 205 215 3bitr4d F:domvolnFnFn+1k¬volFkvolFkvol*Fk<+∞
217 197 216 mtbid F:domvolnFnFn+1k¬volFk¬vol*Fk<+∞
218 nltpnft vol*Fk*vol*Fk=+∞¬vol*Fk<+∞
219 201 218 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*Fk=+∞¬vol*Fk<+∞
220 217 219 mpbird F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*Fk=+∞
221 38 ad2antrr F:domvolnFnFn+1k¬volFkFFn
222 simprl F:domvolnFnFn+1k¬volFkk
223 fnfvelrn FFnkFkranF
224 221 222 223 syl2anc F:domvolnFnFn+1k¬volFkFkranF
225 elssuni FkranFFkranF
226 224 225 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkFkranF
227 ovolss FkranFranFvol*Fkvol*ranF
228 226 192 227 syl2anc F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*Fkvol*ranF
229 220 228 eqbrtrrd F:domvolnFnFn+1k¬volFk+∞vol*ranF
230 pnfxr +∞*
231 xrletri3 vol*ranF*+∞*vol*ranF=+∞vol*ranF+∞+∞vol*ranF
232 194 230 231 sylancl F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*ranF=+∞vol*ranF+∞+∞vol*ranF
233 196 229 232 mpbir2and F:domvolnFnFn+1k¬volFkvol*ranF=+∞
234 mblvol ranFdomvolvolranF=vol*ranF
235 190 234 syl F:domvolnFnFn+1k¬volFkvolranF=vol*ranF
236 imassrn volranFranvol
237 frn vol:domvol0+∞ranvol0+∞
238 50 237 ax-mp ranvol0+∞
239 iccssxr 0+∞*
240 238 239 sstri ranvol*
241 236 240 sstri volranF*
242 204 220 eqtrd F:domvolnFnFn+1k¬volFkvolFk=+∞
243 simpll F:domvolnFnFn+1k¬volFkF:domvol
244 ffun vol:domvol0+∞Funvol
245 50 244 ax-mp Funvol
246 frn F:domvolranFdomvol
247 funfvima2 FunvolranFdomvolFkranFvolFkvolranF
248 245 246 247 sylancr F:domvolFkranFvolFkvolranF
249 243 224 248 sylc F:domvolnFnFn+1k¬volFkvolFkvolranF
250 242 249 eqeltrrd F:domvolnFnFn+1k¬volFk+∞volranF
251 supxrpnf volranF*+∞volranFsupvolranF*<=+∞
252 241 250 251 sylancr F:domvolnFnFn+1k¬volFksupvolranF*<=+∞
253 233 235 252 3eqtr4d F:domvolnFnFn+1k¬volFkvolranF=supvolranF*<
254 253 rexlimdvaa F:domvolnFnFn+1k¬volFkvolranF=supvolranF*<
255 182 254 biimtrrid F:domvolnFnFn+1¬kvolFkvolranF=supvolranF*<
256 181 255 pm2.61d F:domvolnFnFn+1volranF=supvolranF*<