MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  itg11 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem itg11 23503
Description: The integral of an indicator function is the volume of the set. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Jun-2014.) (Revised by Mario Carneiro, 23-Aug-2014.)
Hypothesis
Ref Expression
i1f1.1 𝐹 = (𝑥 ∈ ℝ ↦ if(𝑥𝐴, 1, 0))
Assertion
Ref Expression
itg11 ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (∫1𝐹) = (vol‘𝐴))
Distinct variable group:   𝑥,𝐴
Allowed substitution hint:   𝐹(𝑥)

Proof of Theorem itg11
Dummy variables 𝑦 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 ovol0 23307 . . . . 5 (vol*‘∅) = 0
2 0mbl 23353 . . . . . 6 ∅ ∈ dom vol
3 mblvol 23344 . . . . . 6 (∅ ∈ dom vol → (vol‘∅) = (vol*‘∅))
42, 3ax-mp 5 . . . . 5 (vol‘∅) = (vol*‘∅)
5 itg10 23500 . . . . 5 (∫1‘(ℝ × {0})) = 0
61, 4, 53eqtr4ri 2684 . . . 4 (∫1‘(ℝ × {0})) = (vol‘∅)
7 noel 3952 . . . . . . . . 9 ¬ 𝑥 ∈ ∅
8 eleq2 2719 . . . . . . . . 9 (𝐴 = ∅ → (𝑥𝐴𝑥 ∈ ∅))
97, 8mtbiri 316 . . . . . . . 8 (𝐴 = ∅ → ¬ 𝑥𝐴)
109iffalsed 4130 . . . . . . 7 (𝐴 = ∅ → if(𝑥𝐴, 1, 0) = 0)
1110mpteq2dv 4778 . . . . . 6 (𝐴 = ∅ → (𝑥 ∈ ℝ ↦ if(𝑥𝐴, 1, 0)) = (𝑥 ∈ ℝ ↦ 0))
12 i1f1.1 . . . . . 6 𝐹 = (𝑥 ∈ ℝ ↦ if(𝑥𝐴, 1, 0))
13 fconstmpt 5197 . . . . . 6 (ℝ × {0}) = (𝑥 ∈ ℝ ↦ 0)
1411, 12, 133eqtr4g 2710 . . . . 5 (𝐴 = ∅ → 𝐹 = (ℝ × {0}))
1514fveq2d 6233 . . . 4 (𝐴 = ∅ → (∫1𝐹) = (∫1‘(ℝ × {0})))
16 fveq2 6229 . . . 4 (𝐴 = ∅ → (vol‘𝐴) = (vol‘∅))
176, 15, 163eqtr4a 2711 . . 3 (𝐴 = ∅ → (∫1𝐹) = (vol‘𝐴))
1817a1i 11 . 2 ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (𝐴 = ∅ → (∫1𝐹) = (vol‘𝐴)))
19 n0 3964 . . 3 (𝐴 ≠ ∅ ↔ ∃𝑦 𝑦𝐴)
2012i1f1 23502 . . . . . . . 8 ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → 𝐹 ∈ dom ∫1)
2120adantr 480 . . . . . . 7 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → 𝐹 ∈ dom ∫1)
22 itg1val 23495 . . . . . . 7 (𝐹 ∈ dom ∫1 → (∫1𝐹) = Σ𝑧 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0})(𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))))
2321, 22syl 17 . . . . . 6 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (∫1𝐹) = Σ𝑧 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0})(𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))))
2412i1f1lem 23501 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝐹:ℝ⟶{0, 1} ∧ (𝐴 ∈ dom vol → (𝐹 “ {1}) = 𝐴))
2524simpli 473 . . . . . . . . . . . . 13 𝐹:ℝ⟶{0, 1}
26 frn 6091 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐹:ℝ⟶{0, 1} → ran 𝐹 ⊆ {0, 1})
2725, 26ax-mp 5 . . . . . . . . . . . 12 ran 𝐹 ⊆ {0, 1}
28 ssdif 3778 . . . . . . . . . . . 12 (ran 𝐹 ⊆ {0, 1} → (ran 𝐹 ∖ {0}) ⊆ ({0, 1} ∖ {0}))
2927, 28ax-mp 5 . . . . . . . . . . 11 (ran 𝐹 ∖ {0}) ⊆ ({0, 1} ∖ {0})
30 difprsnss 4361 . . . . . . . . . . 11 ({0, 1} ∖ {0}) ⊆ {1}
3129, 30sstri 3645 . . . . . . . . . 10 (ran 𝐹 ∖ {0}) ⊆ {1}
3231a1i 11 . . . . . . . . 9 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (ran 𝐹 ∖ {0}) ⊆ {1})
33 mblss 23345 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝐴 ∈ dom vol → 𝐴 ⊆ ℝ)
3433adantr 480 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → 𝐴 ⊆ ℝ)
3534sselda 3636 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → 𝑦 ∈ ℝ)
36 eleq1 2718 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑥 = 𝑦 → (𝑥𝐴𝑦𝐴))
3736ifbid 4141 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑥 = 𝑦 → if(𝑥𝐴, 1, 0) = if(𝑦𝐴, 1, 0))
38 1ex 10073 . . . . . . . . . . . . . . . 16 1 ∈ V
39 c0ex 10072 . . . . . . . . . . . . . . . 16 0 ∈ V
4038, 39ifex 4189 . . . . . . . . . . . . . . 15 if(𝑦𝐴, 1, 0) ∈ V
4137, 12, 40fvmpt 6321 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑦 ∈ ℝ → (𝐹𝑦) = if(𝑦𝐴, 1, 0))
4235, 41syl 17 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (𝐹𝑦) = if(𝑦𝐴, 1, 0))
43 iftrue 4125 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑦𝐴 → if(𝑦𝐴, 1, 0) = 1)
4443adantl 481 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → if(𝑦𝐴, 1, 0) = 1)
4542, 44eqtrd 2685 . . . . . . . . . . . 12 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (𝐹𝑦) = 1)
46 ffn 6083 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝐹:ℝ⟶{0, 1} → 𝐹 Fn ℝ)
4725, 46ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . 13 𝐹 Fn ℝ
48 fnfvelrn 6396 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝐹 Fn ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → (𝐹𝑦) ∈ ran 𝐹)
4947, 35, 48sylancr 696 . . . . . . . . . . . 12 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (𝐹𝑦) ∈ ran 𝐹)
5045, 49eqeltrrd 2731 . . . . . . . . . . 11 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → 1 ∈ ran 𝐹)
51 ax-1ne0 10043 . . . . . . . . . . . 12 1 ≠ 0
5251a1i 11 . . . . . . . . . . 11 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → 1 ≠ 0)
53 eldifsn 4350 . . . . . . . . . . 11 (1 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0}) ↔ (1 ∈ ran 𝐹 ∧ 1 ≠ 0))
5450, 52, 53sylanbrc 699 . . . . . . . . . 10 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → 1 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0}))
5554snssd 4372 . . . . . . . . 9 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → {1} ⊆ (ran 𝐹 ∖ {0}))
5632, 55eqssd 3653 . . . . . . . 8 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (ran 𝐹 ∖ {0}) = {1})
5756sumeq1d 14475 . . . . . . 7 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → Σ𝑧 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0})(𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))) = Σ𝑧 ∈ {1} (𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))))
58 1re 10077 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℝ
5924simpri 477 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝐴 ∈ dom vol → (𝐹 “ {1}) = 𝐴)
6059ad2antrr 762 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (𝐹 “ {1}) = 𝐴)
6160fveq2d 6233 . . . . . . . . . . . 12 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (vol‘(𝐹 “ {1})) = (vol‘𝐴))
6261oveq2d 6706 . . . . . . . . . . 11 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (1 · (vol‘(𝐹 “ {1}))) = (1 · (vol‘𝐴)))
63 simplr 807 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (vol‘𝐴) ∈ ℝ)
6463recnd 10106 . . . . . . . . . . . 12 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (vol‘𝐴) ∈ ℂ)
6564mulid2d 10096 . . . . . . . . . . 11 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (1 · (vol‘𝐴)) = (vol‘𝐴))
6662, 65eqtrd 2685 . . . . . . . . . 10 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (1 · (vol‘(𝐹 “ {1}))) = (vol‘𝐴))
6766, 64eqeltrd 2730 . . . . . . . . 9 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (1 · (vol‘(𝐹 “ {1}))) ∈ ℂ)
68 id 22 . . . . . . . . . . 11 (𝑧 = 1 → 𝑧 = 1)
69 sneq 4220 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑧 = 1 → {𝑧} = {1})
7069imaeq2d 5501 . . . . . . . . . . . 12 (𝑧 = 1 → (𝐹 “ {𝑧}) = (𝐹 “ {1}))
7170fveq2d 6233 . . . . . . . . . . 11 (𝑧 = 1 → (vol‘(𝐹 “ {𝑧})) = (vol‘(𝐹 “ {1})))
7268, 71oveq12d 6708 . . . . . . . . . 10 (𝑧 = 1 → (𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))) = (1 · (vol‘(𝐹 “ {1}))))
7372sumsn 14519 . . . . . . . . 9 ((1 ∈ ℝ ∧ (1 · (vol‘(𝐹 “ {1}))) ∈ ℂ) → Σ𝑧 ∈ {1} (𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))) = (1 · (vol‘(𝐹 “ {1}))))
7458, 67, 73sylancr 696 . . . . . . . 8 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → Σ𝑧 ∈ {1} (𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))) = (1 · (vol‘(𝐹 “ {1}))))
7574, 66eqtrd 2685 . . . . . . 7 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → Σ𝑧 ∈ {1} (𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))) = (vol‘𝐴))
7657, 75eqtrd 2685 . . . . . 6 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → Σ𝑧 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0})(𝑧 · (vol‘(𝐹 “ {𝑧}))) = (vol‘𝐴))
7723, 76eqtrd 2685 . . . . 5 (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦𝐴) → (∫1𝐹) = (vol‘𝐴))
7877ex 449 . . . 4 ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (𝑦𝐴 → (∫1𝐹) = (vol‘𝐴)))
7978exlimdv 1901 . . 3 ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (∃𝑦 𝑦𝐴 → (∫1𝐹) = (vol‘𝐴)))
8019, 79syl5bi 232 . 2 ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (𝐴 ≠ ∅ → (∫1𝐹) = (vol‘𝐴)))
8118, 80pm2.61dne 2909 1 ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (∫1𝐹) = (vol‘𝐴))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 383   = wceq 1523  wex 1744  wcel 2030  wne 2823  cdif 3604  wss 3607  c0 3948  ifcif 4119  {csn 4210  {cpr 4212  cmpt 4762   × cxp 5141  ccnv 5142  dom cdm 5143  ran crn 5144  cima 5146   Fn wfn 5921  wf 5922  cfv 5926  (class class class)co 6690  cc 9972  cr 9973  0cc0 9974  1c1 9975   · cmul 9979  Σcsu 14460  vol*covol 23277  volcvol 23278  1citg1 23429
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1762  ax-4 1777  ax-5 1879  ax-6 1945  ax-7 1981  ax-8 2032  ax-9 2039  ax-10 2059  ax-11 2074  ax-12 2087  ax-13 2282  ax-ext 2631  ax-rep 4804  ax-sep 4814  ax-nul 4822  ax-pow 4873  ax-pr 4936  ax-un 6991  ax-inf2 8576  ax-cnex 10030  ax-resscn 10031  ax-1cn 10032  ax-icn 10033  ax-addcl 10034  ax-addrcl 10035  ax-mulcl 10036  ax-mulrcl 10037  ax-mulcom 10038  ax-addass 10039  ax-mulass 10040  ax-distr 10041  ax-i2m1 10042  ax-1ne0 10043  ax-1rid 10044  ax-rnegex 10045  ax-rrecex 10046  ax-cnre 10047  ax-pre-lttri 10048  ax-pre-lttrn 10049  ax-pre-ltadd 10050  ax-pre-mulgt0 10051  ax-pre-sup 10052
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 384  df-an 385  df-3or 1055  df-3an 1056  df-tru 1526  df-fal 1529  df-ex 1745  df-nf 1750  df-sb 1938  df-eu 2502  df-mo 2503  df-clab 2638  df-cleq 2644  df-clel 2647  df-nfc 2782  df-ne 2824  df-nel 2927  df-ral 2946  df-rex 2947  df-reu 2948  df-rmo 2949  df-rab 2950  df-v 3233  df-sbc 3469  df-csb 3567  df-dif 3610  df-un 3612  df-in 3614  df-ss 3621  df-pss 3623  df-nul 3949  df-if 4120  df-pw 4193  df-sn 4211  df-pr 4213  df-tp 4215  df-op 4217  df-uni 4469  df-int 4508  df-iun 4554  df-br 4686  df-opab 4746  df-mpt 4763  df-tr 4786  df-id 5053  df-eprel 5058  df-po 5064  df-so 5065  df-fr 5102  df-se 5103  df-we 5104  df-xp 5149  df-rel 5150  df-cnv 5151  df-co 5152  df-dm 5153  df-rn 5154  df-res 5155  df-ima 5156  df-pred 5718  df-ord 5764  df-on 5765  df-lim 5766  df-suc 5767  df-iota 5889  df-fun 5928  df-fn 5929  df-f 5930  df-f1 5931  df-fo 5932  df-f1o 5933  df-fv 5934  df-isom 5935  df-riota 6651  df-ov 6693  df-oprab 6694  df-mpt2 6695  df-of 6939  df-om 7108  df-1st 7210  df-2nd 7211  df-wrecs 7452  df-recs 7513  df-rdg 7551  df-1o 7605  df-2o 7606  df-oadd 7609  df-er 7787  df-map 7901  df-pm 7902  df-en 7998  df-dom 7999  df-sdom 8000  df-fin 8001  df-sup 8389  df-inf 8390  df-oi 8456  df-card 8803  df-cda 9028  df-pnf 10114  df-mnf 10115  df-xr 10116  df-ltxr 10117  df-le 10118  df-sub 10306  df-neg 10307  df-div 10723  df-nn 11059  df-2 11117  df-3 11118  df-n0 11331  df-z 11416  df-uz 11726  df-q 11827  df-rp 11871  df-xadd 11985  df-ioo 12217  df-ico 12219  df-icc 12220  df-fz 12365  df-fzo 12505  df-fl 12633  df-seq 12842  df-exp 12901  df-hash 13158  df-cj 13883  df-re 13884  df-im 13885  df-sqrt 14019  df-abs 14020  df-clim 14263  df-sum 14461  df-xmet 19787  df-met 19788  df-ovol 23279  df-vol 23280  df-mbf 23433  df-itg1 23434
This theorem is referenced by:  itg2const  23552  itg2addnclem  33591
  Copyright terms: Public domain W3C validator