Theorem itg11 24853

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(𝑥 ∈ 𝐴, 1, 0))

Assertion

Ref	Expression
itg11	⊢ ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (∫1‘𝐹) = (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.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		ovol0 24655	. . . . 5 ⊢ (vol*‘∅) = 0
2		0mbl 24701	. . . . . 6 ⊢ ∅ ∈ dom vol
3		mblvol 24692	. . . . . 6 ⊢ (∅ ∈ dom vol → (vol‘∅) = (vol*‘∅))
4	2, 3	ax-mp 5	. . . . 5 ⊢ (vol‘∅) = (vol*‘∅)
5		itg10 24850	. . . . 5 ⊢ (∫1‘(ℝ × {0})) = 0
6	1, 4, 5	3eqtr4ri 2779	. . . 4 ⊢ (∫1‘(ℝ × {0})) = (vol‘∅)
7		noel 4270	. . . . . . . . 9 ⊢ ¬ 𝑥 ∈ ∅
8		eleq2 2829	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 = ∅ → (𝑥 ∈ 𝐴 ↔ 𝑥 ∈ ∅))
9	7, 8	mtbiri 327	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 = ∅ → ¬ 𝑥 ∈ 𝐴)
10	9	iffalsed 4476	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 = ∅ → if(𝑥 ∈ 𝐴, 1, 0) = 0)
11	10	mpteq2dv 5181	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 = ∅ → (𝑥 ∈ ℝ ↦ if(𝑥 ∈ 𝐴, 1, 0)) = (𝑥 ∈ ℝ ↦ 0))
12		i1f1.1	. . . . . 6 ⊢ 𝐹 = (𝑥 ∈ ℝ ↦ if(𝑥 ∈ 𝐴, 1, 0))
13		fconstmpt 5650	. . . . . 6 ⊢ (ℝ × {0}) = (𝑥 ∈ ℝ ↦ 0)
14	11, 12, 13	3eqtr4g 2805	. . . . 5 ⊢ (𝐴 = ∅ → 𝐹 = (ℝ × {0}))
15	14	fveq2d 6775	. . . 4 ⊢ (𝐴 = ∅ → (∫1‘𝐹) = (∫1‘(ℝ × {0})))
16		fveq2 6771	. . . 4 ⊢ (𝐴 = ∅ → (vol‘𝐴) = (vol‘∅))
17	6, 15, 16	3eqtr4a 2806	. . 3 ⊢ (𝐴 = ∅ → (∫1‘𝐹) = (vol‘𝐴))
18	17	a1i 11	. 2 ⊢ ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (𝐴 = ∅ → (∫1‘𝐹) = (vol‘𝐴)))
19		n0 4286	. . 3 ⊢ (𝐴 ≠ ∅ ↔ ∃𝑦 𝑦 ∈ 𝐴)
20	12	i1f1 24852	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → 𝐹 ∈ dom ∫1)
21	20	adantr 481	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → 𝐹 ∈ dom ∫1)
22		itg1val 24845	. . . . . . 7 ⊢ (𝐹 ∈ dom ∫1 → (∫1‘𝐹) = Σ𝑧 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0})(𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))))
23	21, 22	syl 17	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (∫1‘𝐹) = Σ𝑧 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0})(𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))))
24	12	i1f1lem 24851	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝐹:ℝ⟶{0, 1} ∧ (𝐴 ∈ dom vol → (◡𝐹 “ {1}) = 𝐴))
25	24	simpli 484	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 𝐹:ℝ⟶{0, 1}
26		frn 6605	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝐹:ℝ⟶{0, 1} → ran 𝐹 ⊆ {0, 1})
27	25, 26	ax-mp 5	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ran 𝐹 ⊆ {0, 1}
28		ssdif 4079	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (ran 𝐹 ⊆ {0, 1} → (ran 𝐹 ∖ {0}) ⊆ ({0, 1} ∖ {0}))
29	27, 28	ax-mp 5	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (ran 𝐹 ∖ {0}) ⊆ ({0, 1} ∖ {0})
30		difprsnss 4738	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ({0, 1} ∖ {0}) ⊆ {1}
31	29, 30	sstri 3935	. . . . . . . . . 10 ⊢ (ran 𝐹 ∖ {0}) ⊆ {1}
32	31	a1i 11	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (ran 𝐹 ∖ {0}) ⊆ {1})
33		mblss 24693	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝐴 ∈ dom vol → 𝐴 ⊆ ℝ)
34	33	adantr 481	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → 𝐴 ⊆ ℝ)
35	34	sselda 3926	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → 𝑦 ∈ ℝ)
36		eleq1w 2823	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑥 = 𝑦 → (𝑥 ∈ 𝐴 ↔ 𝑦 ∈ 𝐴))
37	36	ifbid 4488	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝑥 = 𝑦 → if(𝑥 ∈ 𝐴, 1, 0) = if(𝑦 ∈ 𝐴, 1, 0))
38		1ex 10972	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ 1 ∈ V
39		c0ex 10970	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ 0 ∈ V
40	38, 39	ifex 4515	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ if(𝑦 ∈ 𝐴, 1, 0) ∈ V
41	37, 12, 40	fvmpt 6872	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑦 ∈ ℝ → (𝐹‘𝑦) = if(𝑦 ∈ 𝐴, 1, 0))
42	35, 41	syl 17	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (𝐹‘𝑦) = if(𝑦 ∈ 𝐴, 1, 0))
43		iftrue 4471	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑦 ∈ 𝐴 → if(𝑦 ∈ 𝐴, 1, 0) = 1)
44	43	adantl 482	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → if(𝑦 ∈ 𝐴, 1, 0) = 1)
45	42, 44	eqtrd 2780	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (𝐹‘𝑦) = 1)
46		ffn 6598	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝐹:ℝ⟶{0, 1} → 𝐹 Fn ℝ)
47	25, 46	ax-mp 5	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 𝐹 Fn ℝ
48		fnfvelrn 6955	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝐹 Fn ℝ ∧ 𝑦 ∈ ℝ) → (𝐹‘𝑦) ∈ ran 𝐹)
49	47, 35, 48	sylancr 587	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (𝐹‘𝑦) ∈ ran 𝐹)
50	45, 49	eqeltrrd 2842	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → 1 ∈ ran 𝐹)
51		ax-1ne0 10941	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 1 ≠ 0
52		eldifsn 4726	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (1 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0}) ↔ (1 ∈ ran 𝐹 ∧ 1 ≠ 0))
53	50, 51, 52	sylanblrc 590	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → 1 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0}))
54	53	snssd 4748	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → {1} ⊆ (ran 𝐹 ∖ {0}))
55	32, 54	eqssd 3943	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (ran 𝐹 ∖ {0}) = {1})
56	55	sumeq1d 15411	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → Σ𝑧 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0})(𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))) = Σ𝑧 ∈ {1} (𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))))
57		1re 10976	. . . . . . . . 9 ⊢ 1 ∈ ℝ
58	24	simpri 486	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝐴 ∈ dom vol → (◡𝐹 “ {1}) = 𝐴)
59	58	ad2antrr 723	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (◡𝐹 “ {1}) = 𝐴)
60	59	fveq2d 6775	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (vol‘(◡𝐹 “ {1})) = (vol‘𝐴))
61	60	oveq2d 7287	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (1 · (vol‘(◡𝐹 “ {1}))) = (1 · (vol‘𝐴)))
62		simplr 766	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (vol‘𝐴) ∈ ℝ)
63	62	recnd 11004	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (vol‘𝐴) ∈ ℂ)
64	63	mulid2d 10994	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (1 · (vol‘𝐴)) = (vol‘𝐴))
65	61, 64	eqtrd 2780	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (1 · (vol‘(◡𝐹 “ {1}))) = (vol‘𝐴))
66	65, 63	eqeltrd 2841	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (1 · (vol‘(◡𝐹 “ {1}))) ∈ ℂ)
67		id 22	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑧 = 1 → 𝑧 = 1)
68		sneq 4577	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑧 = 1 → {𝑧} = {1})
69	68	imaeq2d 5968	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑧 = 1 → (◡𝐹 “ {𝑧}) = (◡𝐹 “ {1}))
70	69	fveq2d 6775	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑧 = 1 → (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧})) = (vol‘(◡𝐹 “ {1})))
71	67, 70	oveq12d 7289	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 = 1 → (𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))) = (1 · (vol‘(◡𝐹 “ {1}))))
72	71	sumsn 15456	. . . . . . . . 9 ⊢ ((1 ∈ ℝ ∧ (1 · (vol‘(◡𝐹 “ {1}))) ∈ ℂ) → Σ𝑧 ∈ {1} (𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))) = (1 · (vol‘(◡𝐹 “ {1}))))
73	57, 66, 72	sylancr 587	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → Σ𝑧 ∈ {1} (𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))) = (1 · (vol‘(◡𝐹 “ {1}))))
74	73, 65	eqtrd 2780	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → Σ𝑧 ∈ {1} (𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))) = (vol‘𝐴))
75	56, 74	eqtrd 2780	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → Σ𝑧 ∈ (ran 𝐹 ∖ {0})(𝑧 · (vol‘(◡𝐹 “ {𝑧}))) = (vol‘𝐴))
76	23, 75	eqtrd 2780	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) ∧ 𝑦 ∈ 𝐴) → (∫1‘𝐹) = (vol‘𝐴))
77	76	ex 413	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (𝑦 ∈ 𝐴 → (∫1‘𝐹) = (vol‘𝐴)))
78	77	exlimdv 1940	. . 3 ⊢ ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (∃𝑦 𝑦 ∈ 𝐴 → (∫1‘𝐹) = (vol‘𝐴)))
79	19, 78	syl5bi 241	. 2 ⊢ ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (𝐴 ≠ ∅ → (∫1‘𝐹) = (vol‘𝐴)))
80	18, 79	pm2.61dne 3033	1 ⊢ ((𝐴 ∈ dom vol ∧ (vol‘𝐴) ∈ ℝ) → (∫1‘𝐹) = (vol‘𝐴))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 396   = wceq 1542  ∃wex 1786   ∈ wcel 2110   ≠ wne 2945   ∖ cdif 3889   ⊆ wss 3892  ∅c0 4262  ifcif 4465  {csn 4567  {cpr 4569   ↦ cmpt 5162   × cxp 5588  ^◡ccnv 5589  dom cdm 5590  ran crn 5591   “ cima 5593   Fn wfn 6427  ⟶wf 6428  ‘cfv 6432  (class class class)co 7271  ℂcc 10870  ℝcr 10871  0cc0 10872  1c1 10873   · cmul 10877  Σcsu 15395  vol*covol 24624  volcvol 24625  ∫₁citg1 24777

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1802  ax-4 1816  ax-5 1917  ax-6 1975  ax-7 2015  ax-8 2112  ax-9 2120  ax-10 2141  ax-11 2158  ax-12 2175  ax-ext 2711  ax-rep 5214  ax-sep 5227  ax-nul 5234  ax-pow 5292  ax-pr 5356  ax-un 7582  ax-inf2 9377  ax-cnex 10928  ax-resscn 10929  ax-1cn 10930  ax-icn 10931  ax-addcl 10932  ax-addrcl 10933  ax-mulcl 10934  ax-mulrcl 10935  ax-mulcom 10936  ax-addass 10937  ax-mulass 10938  ax-distr 10939  ax-i2m1 10940  ax-1ne0 10941  ax-1rid 10942  ax-rnegex 10943  ax-rrecex 10944  ax-cnre 10945  ax-pre-lttri 10946  ax-pre-lttrn 10947  ax-pre-ltadd 10948  ax-pre-mulgt0 10949  ax-pre-sup 10950

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 845  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1787  df-nf 1791  df-sb 2072  df-mo 2542  df-eu 2571  df-clab 2718  df-cleq 2732  df-clel 2818  df-nfc 2891  df-ne 2946  df-nel 3052  df-ral 3071  df-rex 3072  df-reu 3073  df-rmo 3074  df-rab 3075  df-v 3433  df-sbc 3721  df-csb 3838  df-dif 3895  df-un 3897  df-in 3899  df-ss 3909  df-pss 3911  df-nul 4263  df-if 4466  df-pw 4541  df-sn 4568  df-pr 4570  df-op 4574  df-uni 4846  df-int 4886  df-iun 4932  df-br 5080  df-opab 5142  df-mpt 5163  df-tr 5197  df-id 5490  df-eprel 5496  df-po 5504  df-so 5505  df-fr 5545  df-se 5546  df-we 5547  df-xp 5596  df-rel 5597  df-cnv 5598  df-co 5599  df-dm 5600  df-rn 5601  df-res 5602  df-ima 5603  df-pred 6201  df-ord 6268  df-on 6269  df-lim 6270  df-suc 6271  df-iota 6390  df-fun 6434  df-fn 6435  df-f 6436  df-f1 6437  df-fo 6438  df-f1o 6439  df-fv 6440  df-isom 6441  df-riota 7228  df-ov 7274  df-oprab 7275  df-mpo 7276  df-of 7527  df-om 7707  df-1st 7824  df-2nd 7825  df-frecs 8088  df-wrecs 8119  df-recs 8193  df-rdg 8232  df-1o 8288  df-2o 8289  df-er 8481  df-map 8600  df-pm 8601  df-en 8717  df-dom 8718  df-sdom 8719  df-fin 8720  df-sup 9179  df-inf 9180  df-oi 9247  df-dju 9660  df-card 9698  df-pnf 11012  df-mnf 11013  df-xr 11014  df-ltxr 11015  df-le 11016  df-sub 11207  df-neg 11208  df-div 11633  df-nn 11974  df-2 12036  df-3 12037  df-n0 12234  df-z 12320  df-uz 12582  df-q 12688  df-rp 12730  df-xadd 12848  df-ioo 13082  df-ico 13084  df-icc 13085  df-fz 13239  df-fzo 13382  df-fl 13510  df-seq 13720  df-exp 13781  df-hash 14043  df-cj 14808  df-re 14809  df-im 14810  df-sqrt 14944  df-abs 14945  df-clim 15195  df-sum 15396  df-xmet 20588  df-met 20589  df-ovol 24626  df-vol 24627  df-mbf 24781  df-itg1 24782

This theorem is referenced by:  itg2const  24903  itg2addnclem  35824