MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  ovoliun2 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem ovoliun2 25414
Description: The Lebesgue outer measure function is countably sub-additive. (This version is a little easier to read, but does not allow infinite values like ovoliun 25413.) (Contributed by Mario Carneiro, 12-Jun-2014.)
Hypotheses
Ref Expression
ovoliun.t 𝑇 = seq1( + , 𝐺)
ovoliun.g 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (vol*‘𝐴))
ovoliun.a ((𝜑𝑛 ∈ ℕ) → 𝐴 ⊆ ℝ)
ovoliun.v ((𝜑𝑛 ∈ ℕ) → (vol*‘𝐴) ∈ ℝ)
ovoliun2.t (𝜑𝑇 ∈ dom ⇝ )
Assertion
Ref Expression
ovoliun2 (𝜑 → (vol*‘ 𝑛 ∈ ℕ 𝐴) ≤ Σ𝑛 ∈ ℕ (vol*‘𝐴))
Distinct variable group:   𝜑,𝑛
Allowed substitution hints:   𝐴(𝑛)   𝑇(𝑛)   𝐺(𝑛)

Proof of Theorem ovoliun2
Dummy variables 𝑘 𝑚 𝑥 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 ovoliun.t . . 3 𝑇 = seq1( + , 𝐺)
2 ovoliun.g . . 3 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (vol*‘𝐴))
3 ovoliun.a . . 3 ((𝜑𝑛 ∈ ℕ) → 𝐴 ⊆ ℝ)
4 ovoliun.v . . 3 ((𝜑𝑛 ∈ ℕ) → (vol*‘𝐴) ∈ ℝ)
51, 2, 3, 4ovoliun 25413 . 2 (𝜑 → (vol*‘ 𝑛 ∈ ℕ 𝐴) ≤ sup(ran 𝑇, ℝ*, < ))
6 nnuz 12843 . . . . . . . 8 ℕ = (ℤ‘1)
7 1zzd 12571 . . . . . . . 8 (𝜑 → 1 ∈ ℤ)
8 fvex 6874 . . . . . . . . . . 11 (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ V
9 nfcv 2892 . . . . . . . . . . . . . 14 𝑚(vol*‘𝐴)
10 nfcv 2892 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑛vol*
11 nfcsb1v 3889 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑛𝑚 / 𝑛𝐴
1210, 11nffv 6871 . . . . . . . . . . . . . 14 𝑛(vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴)
13 csbeq1a 3879 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑛 = 𝑚𝐴 = 𝑚 / 𝑛𝐴)
1413fveq2d 6865 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑛 = 𝑚 → (vol*‘𝐴) = (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
159, 12, 14cbvmpt 5212 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑛 ∈ ℕ ↦ (vol*‘𝐴)) = (𝑚 ∈ ℕ ↦ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
162, 15eqtri 2753 . . . . . . . . . . . 12 𝐺 = (𝑚 ∈ ℕ ↦ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
1716fvmpt2 6982 . . . . . . . . . . 11 ((𝑚 ∈ ℕ ∧ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ V) → (𝐺𝑚) = (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
188, 17mpan2 691 . . . . . . . . . 10 (𝑚 ∈ ℕ → (𝐺𝑚) = (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
1918adantl 481 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑚 ∈ ℕ) → (𝐺𝑚) = (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
204ralrimiva 3126 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ (vol*‘𝐴) ∈ ℝ)
219nfel1 2909 . . . . . . . . . . . 12 𝑚(vol*‘𝐴) ∈ ℝ
2212nfel1 2909 . . . . . . . . . . . 12 𝑛(vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℝ
2314eleq1d 2814 . . . . . . . . . . . 12 (𝑛 = 𝑚 → ((vol*‘𝐴) ∈ ℝ ↔ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℝ))
2421, 22, 23cbvralw 3282 . . . . . . . . . . 11 (∀𝑛 ∈ ℕ (vol*‘𝐴) ∈ ℝ ↔ ∀𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℝ)
2520, 24sylib 218 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ∀𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℝ)
2625r19.21bi 3230 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑚 ∈ ℕ) → (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℝ)
2719, 26eqeltrd 2829 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑚 ∈ ℕ) → (𝐺𝑚) ∈ ℝ)
286, 7, 27serfre 14003 . . . . . . 7 (𝜑 → seq1( + , 𝐺):ℕ⟶ℝ)
291feq1i 6682 . . . . . . 7 (𝑇:ℕ⟶ℝ ↔ seq1( + , 𝐺):ℕ⟶ℝ)
3028, 29sylibr 234 . . . . . 6 (𝜑𝑇:ℕ⟶ℝ)
3130frnd 6699 . . . . 5 (𝜑 → ran 𝑇 ⊆ ℝ)
32 1nn 12204 . . . . . . . 8 1 ∈ ℕ
3330fdmd 6701 . . . . . . . 8 (𝜑 → dom 𝑇 = ℕ)
3432, 33eleqtrrid 2836 . . . . . . 7 (𝜑 → 1 ∈ dom 𝑇)
3534ne0d 4308 . . . . . 6 (𝜑 → dom 𝑇 ≠ ∅)
36 dm0rn0 5891 . . . . . . 7 (dom 𝑇 = ∅ ↔ ran 𝑇 = ∅)
3736necon3bii 2978 . . . . . 6 (dom 𝑇 ≠ ∅ ↔ ran 𝑇 ≠ ∅)
3835, 37sylib 218 . . . . 5 (𝜑 → ran 𝑇 ≠ ∅)
39 ovoliun2.t . . . . . . . . 9 (𝜑𝑇 ∈ dom ⇝ )
401, 39eqeltrrid 2834 . . . . . . . 8 (𝜑 → seq1( + , 𝐺) ∈ dom ⇝ )
416, 7, 19, 26, 40isumrecl 15738 . . . . . . 7 (𝜑 → Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℝ)
42 elfznn 13521 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑚 ∈ (1...𝑘) → 𝑚 ∈ ℕ)
4342adantl 481 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑𝑘 ∈ ℕ) ∧ 𝑚 ∈ (1...𝑘)) → 𝑚 ∈ ℕ)
4443, 18syl 17 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑𝑘 ∈ ℕ) ∧ 𝑚 ∈ (1...𝑘)) → (𝐺𝑚) = (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
45 simpr 484 . . . . . . . . . . . 12 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → 𝑘 ∈ ℕ)
4645, 6eleqtrdi 2839 . . . . . . . . . . 11 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → 𝑘 ∈ (ℤ‘1))
47 simpl 482 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → 𝜑)
4847, 42, 26syl2an 596 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑𝑘 ∈ ℕ) ∧ 𝑚 ∈ (1...𝑘)) → (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℝ)
4948recnd 11209 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑𝑘 ∈ ℕ) ∧ 𝑚 ∈ (1...𝑘)) → (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℂ)
5044, 46, 49fsumser 15703 . . . . . . . . . 10 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → Σ𝑚 ∈ (1...𝑘)(vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) = (seq1( + , 𝐺)‘𝑘))
511fveq1i 6862 . . . . . . . . . 10 (𝑇𝑘) = (seq1( + , 𝐺)‘𝑘)
5250, 51eqtr4di 2783 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → Σ𝑚 ∈ (1...𝑘)(vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) = (𝑇𝑘))
53 fzfid 13945 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (1...𝑘) ∈ Fin)
54 fz1ssnn 13523 . . . . . . . . . . . 12 (1...𝑘) ⊆ ℕ
5554a1i 11 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (1...𝑘) ⊆ ℕ)
563ralrimiva 3126 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ 𝐴 ⊆ ℝ)
57 nfv 1914 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑚 𝐴 ⊆ ℝ
58 nfcv 2892 . . . . . . . . . . . . . . . 16 𝑛
5911, 58nfss 3942 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑛𝑚 / 𝑛𝐴 ⊆ ℝ
6013sseq1d 3981 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑛 = 𝑚 → (𝐴 ⊆ ℝ ↔ 𝑚 / 𝑛𝐴 ⊆ ℝ))
6157, 59, 60cbvralw 3282 . . . . . . . . . . . . . 14 (∀𝑛 ∈ ℕ 𝐴 ⊆ ℝ ↔ ∀𝑚 ∈ ℕ 𝑚 / 𝑛𝐴 ⊆ ℝ)
6256, 61sylib 218 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → ∀𝑚 ∈ ℕ 𝑚 / 𝑛𝐴 ⊆ ℝ)
6362r19.21bi 3230 . . . . . . . . . . . 12 ((𝜑𝑚 ∈ ℕ) → 𝑚 / 𝑛𝐴 ⊆ ℝ)
64 ovolge0 25389 . . . . . . . . . . . 12 (𝑚 / 𝑛𝐴 ⊆ ℝ → 0 ≤ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
6563, 64syl 17 . . . . . . . . . . 11 ((𝜑𝑚 ∈ ℕ) → 0 ≤ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
666, 7, 53, 55, 19, 26, 65, 40isumless 15818 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → Σ𝑚 ∈ (1...𝑘)(vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ≤ Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
6766adantr 480 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → Σ𝑚 ∈ (1...𝑘)(vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ≤ Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
6852, 67eqbrtrrd 5134 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (𝑇𝑘) ≤ Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
6968ralrimiva 3126 . . . . . . 7 (𝜑 → ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑇𝑘) ≤ Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
70 brralrspcev 5170 . . . . . . 7 ((Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) ∈ ℝ ∧ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑇𝑘) ≤ Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴)) → ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑇𝑘) ≤ 𝑥)
7141, 69, 70syl2anc 584 . . . . . 6 (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑇𝑘) ≤ 𝑥)
7230ffnd 6692 . . . . . . . 8 (𝜑𝑇 Fn ℕ)
73 breq1 5113 . . . . . . . . 9 (𝑧 = (𝑇𝑘) → (𝑧𝑥 ↔ (𝑇𝑘) ≤ 𝑥))
7473ralrn 7063 . . . . . . . 8 (𝑇 Fn ℕ → (∀𝑧 ∈ ran 𝑇 𝑧𝑥 ↔ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑇𝑘) ≤ 𝑥))
7572, 74syl 17 . . . . . . 7 (𝜑 → (∀𝑧 ∈ ran 𝑇 𝑧𝑥 ↔ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑇𝑘) ≤ 𝑥))
7675rexbidv 3158 . . . . . 6 (𝜑 → (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑧 ∈ ran 𝑇 𝑧𝑥 ↔ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑇𝑘) ≤ 𝑥))
7771, 76mpbird 257 . . . . 5 (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑧 ∈ ran 𝑇 𝑧𝑥)
78 supxrre 13294 . . . . 5 ((ran 𝑇 ⊆ ℝ ∧ ran 𝑇 ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑧 ∈ ran 𝑇 𝑧𝑥) → sup(ran 𝑇, ℝ*, < ) = sup(ran 𝑇, ℝ, < ))
7931, 38, 77, 78syl3anc 1373 . . . 4 (𝜑 → sup(ran 𝑇, ℝ*, < ) = sup(ran 𝑇, ℝ, < ))
806, 1, 7, 19, 26, 65, 71isumsup 15820 . . . 4 (𝜑 → Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴) = sup(ran 𝑇, ℝ, < ))
8179, 80eqtr4d 2768 . . 3 (𝜑 → sup(ran 𝑇, ℝ*, < ) = Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴))
8214, 9, 12cbvsum 15668 . . 3 Σ𝑛 ∈ ℕ (vol*‘𝐴) = Σ𝑚 ∈ ℕ (vol*‘𝑚 / 𝑛𝐴)
8381, 82eqtr4di 2783 . 2 (𝜑 → sup(ran 𝑇, ℝ*, < ) = Σ𝑛 ∈ ℕ (vol*‘𝐴))
845, 83breqtrd 5136 1 (𝜑 → (vol*‘ 𝑛 ∈ ℕ 𝐴) ≤ Σ𝑛 ∈ ℕ (vol*‘𝐴))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 206  wa 395   = wceq 1540  wcel 2109  wne 2926  wral 3045  wrex 3054  Vcvv 3450  csb 3865  wss 3917  c0 4299   ciun 4958   class class class wbr 5110  cmpt 5191  dom cdm 5641  ran crn 5642   Fn wfn 6509  wf 6510  cfv 6514  (class class class)co 7390  supcsup 9398  cr 11074  0cc0 11075  1c1 11076   + caddc 11078  *cxr 11214   < clt 11215  cle 11216  cn 12193  cuz 12800  ...cfz 13475  seqcseq 13973  cli 15457  Σcsu 15659  vol*covol 25370
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1910  ax-6 1967  ax-7 2008  ax-8 2111  ax-9 2119  ax-10 2142  ax-11 2158  ax-12 2178  ax-ext 2702  ax-rep 5237  ax-sep 5254  ax-nul 5264  ax-pow 5323  ax-pr 5390  ax-un 7714  ax-inf2 9601  ax-cc 10395  ax-cnex 11131  ax-resscn 11132  ax-1cn 11133  ax-icn 11134  ax-addcl 11135  ax-addrcl 11136  ax-mulcl 11137  ax-mulrcl 11138  ax-mulcom 11139  ax-addass 11140  ax-mulass 11141  ax-distr 11142  ax-i2m1 11143  ax-1ne0 11144  ax-1rid 11145  ax-rnegex 11146  ax-rrecex 11147  ax-cnre 11148  ax-pre-lttri 11149  ax-pre-lttrn 11150  ax-pre-ltadd 11151  ax-pre-mulgt0 11152  ax-pre-sup 11153
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2709  df-cleq 2722  df-clel 2804  df-nfc 2879  df-ne 2927  df-nel 3031  df-ral 3046  df-rex 3055  df-rmo 3356  df-reu 3357  df-rab 3409  df-v 3452  df-sbc 3757  df-csb 3866  df-dif 3920  df-un 3922  df-in 3924  df-ss 3934  df-pss 3937  df-nul 4300  df-if 4492  df-pw 4568  df-sn 4593  df-pr 4595  df-op 4599  df-uni 4875  df-int 4914  df-iun 4960  df-br 5111  df-opab 5173  df-mpt 5192  df-tr 5218  df-id 5536  df-eprel 5541  df-po 5549  df-so 5550  df-fr 5594  df-se 5595  df-we 5596  df-xp 5647  df-rel 5648  df-cnv 5649  df-co 5650  df-dm 5651  df-rn 5652  df-res 5653  df-ima 5654  df-pred 6277  df-ord 6338  df-on 6339  df-lim 6340  df-suc 6341  df-iota 6467  df-fun 6516  df-fn 6517  df-f 6518  df-f1 6519  df-fo 6520  df-f1o 6521  df-fv 6522  df-isom 6523  df-riota 7347  df-ov 7393  df-oprab 7394  df-mpo 7395  df-om 7846  df-1st 7971  df-2nd 7972  df-frecs 8263  df-wrecs 8294  df-recs 8343  df-rdg 8381  df-1o 8437  df-er 8674  df-map 8804  df-pm 8805  df-en 8922  df-dom 8923  df-sdom 8924  df-fin 8925  df-sup 9400  df-inf 9401  df-oi 9470  df-card 9899  df-pnf 11217  df-mnf 11218  df-xr 11219  df-ltxr 11220  df-le 11221  df-sub 11414  df-neg 11415  df-div 11843  df-nn 12194  df-2 12256  df-3 12257  df-n0 12450  df-z 12537  df-uz 12801  df-q 12915  df-rp 12959  df-ioo 13317  df-ico 13319  df-fz 13476  df-fzo 13623  df-fl 13761  df-seq 13974  df-exp 14034  df-hash 14303  df-cj 15072  df-re 15073  df-im 15074  df-sqrt 15208  df-abs 15209  df-clim 15461  df-rlim 15462  df-sum 15660  df-ovol 25372
This theorem is referenced by:  ovoliunnul  25415  vitalilem5  25520
  Copyright terms: Public domain W3C validator