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Theorem itgreval

Description: Decompose the integral of a real function into positive and negative parts. (Contributed by Mario Carneiro, 31-Jul-2014)

Ref Expression
Hypotheses iblrelem.1 ⊢ ( ( 𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ) → 𝐵 ∈ ℝ )
itgreval.2 ⊢ ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ 𝐵 ) ∈ 𝐿1 )
Assertion itgreval ( 𝜑 → ∫ 𝐴 𝐵 d 𝑥 = ( ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) d 𝑥 − ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) d 𝑥 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 iblrelem.1 ⊢ ( ( 𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ) → 𝐵 ∈ ℝ )
2 itgreval.2 ⊢ ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ 𝐵 ) ∈ 𝐿1 )
3 1 2 itgrevallem1 ⊢ ( 𝜑 → ∫ 𝐴 𝐵 d 𝑥 = ( ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) ) ) − ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) ) ) ) )
4 0re ⊢ 0 ∈ ℝ
5 ifcl ⊢ ( ( 𝐵 ∈ ℝ ∧ 0 ∈ ℝ ) → if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) ∈ ℝ )
6 1 4 5 sylancl ⊢ ( ( 𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ) → if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) ∈ ℝ )
7 1 iblrelem ⊢ ( 𝜑 → ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ 𝐵 ) ∈ 𝐿1 ↔ ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ 𝐵 ) ∈ MblFn ∧ ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) ) ) ∈ ℝ ∧ ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) ) ) ∈ ℝ ) ) )
8 2 7 mpbid ⊢ ( 𝜑 → ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ 𝐵 ) ∈ MblFn ∧ ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) ) ) ∈ ℝ ∧ ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) ) ) ∈ ℝ ) )
9 8 simp1d ⊢ ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ 𝐵 ) ∈ MblFn )
10 1 9 mbfpos ⊢ ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) ) ∈ MblFn )
11 ifan ⊢ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) = if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) , 0 )
12 11 mpteq2i ⊢ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) ) = ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) , 0 ) )
13 12 fveq2i ⊢ ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) ) ) = ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) , 0 ) ) )
14 8 simp2d ⊢ ( 𝜑 → ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) ) ) ∈ ℝ )
15 13 14 eqeltrrid ⊢ ( 𝜑 → ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) , 0 ) ) ) ∈ ℝ )
16 max1 ⊢ ( ( 0 ∈ ℝ ∧ 𝐵 ∈ ℝ ) → 0 ≤ if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) )
17 4 1 16 sylancr ⊢ ( ( 𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ) → 0 ≤ if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) )
18 6 17 iblpos ⊢ ( 𝜑 → ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) ) ∈ 𝐿1 ↔ ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) ) ∈ MblFn ∧ ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) , 0 ) ) ) ∈ ℝ ) ) )
19 10 15 18 mpbir2and ⊢ ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) ) ∈ 𝐿1 )
20 6 19 17 itgposval ⊢ ( 𝜑 → ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) d 𝑥 = ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) , 0 ) ) ) )
21 20 13 eqtr4di ⊢ ( 𝜑 → ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) d 𝑥 = ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) ) ) )
22 1 renegcld ⊢ ( ( 𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ) → - 𝐵 ∈ ℝ )
23 ifcl ⊢ ( ( - 𝐵 ∈ ℝ ∧ 0 ∈ ℝ ) → if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) ∈ ℝ )
24 22 4 23 sylancl ⊢ ( ( 𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ) → if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) ∈ ℝ )
25 1 9 mbfneg ⊢ ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ - 𝐵 ) ∈ MblFn )
26 22 25 mbfpos ⊢ ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) ) ∈ MblFn )
27 ifan ⊢ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) = if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) , 0 )
28 27 mpteq2i ⊢ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) ) = ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) , 0 ) )
29 28 fveq2i ⊢ ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) ) ) = ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) , 0 ) ) )
30 8 simp3d ⊢ ( 𝜑 → ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) ) ) ∈ ℝ )
31 29 30 eqeltrrid ⊢ ( 𝜑 → ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) , 0 ) ) ) ∈ ℝ )
32 max1 ⊢ ( ( 0 ∈ ℝ ∧ - 𝐵 ∈ ℝ ) → 0 ≤ if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) )
33 4 22 32 sylancr ⊢ ( ( 𝜑 ∧ 𝑥 ∈ 𝐴 ) → 0 ≤ if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) )
34 24 33 iblpos ⊢ ( 𝜑 → ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) ) ∈ 𝐿1 ↔ ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) ) ∈ MblFn ∧ ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) , 0 ) ) ) ∈ ℝ ) ) )
35 26 31 34 mpbir2and ⊢ ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ 𝐴 ↦ if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) ) ∈ 𝐿1 )
36 24 35 33 itgposval ⊢ ( 𝜑 → ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) d 𝑥 = ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( 𝑥 ∈ 𝐴 , if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) , 0 ) ) ) )
37 36 29 eqtr4di ⊢ ( 𝜑 → ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) d 𝑥 = ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) ) ) )
38 21 37 oveq12d ⊢ ( 𝜑 → ( ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) d 𝑥 − ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) d 𝑥 ) = ( ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ 𝐵 ) , 𝐵 , 0 ) ) ) − ( ∫2 ‘ ( 𝑥 ∈ ℝ ↦ if ( ( 𝑥 ∈ 𝐴 ∧ 0 ≤ - 𝐵 ) , - 𝐵 , 0 ) ) ) ) )
39 3 38 eqtr4d ⊢ ( 𝜑 → ∫ 𝐴 𝐵 d 𝑥 = ( ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ 𝐵 , 𝐵 , 0 ) d 𝑥 − ∫ 𝐴 if ( 0 ≤ - 𝐵 , - 𝐵 , 0 ) d 𝑥 ) )