Metamath Proof Explorer < Previous   Next > Nearby theorems Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  itg2i1fseq2 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem itg2i1fseq2 23568
 Description: In an extension to the results of itg2i1fseq 23567, if there is an upper bound on the integrals of the simple functions approaching 𝐹, then ∫2𝐹 is real and the standard limit relation applies. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Aug-2014.)
Hypotheses
Ref Expression
itg2i1fseq.1 (𝜑𝐹 ∈ MblFn)
itg2i1fseq.2 (𝜑𝐹:ℝ⟶(0[,)+∞))
itg2i1fseq.3 (𝜑𝑃:ℕ⟶dom ∫1)
itg2i1fseq.4 (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ (0𝑝𝑟 ≤ (𝑃𝑛) ∧ (𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1))))
itg2i1fseq.5 (𝜑 → ∀𝑥 ∈ ℝ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((𝑃𝑛)‘𝑥)) ⇝ (𝐹𝑥))
itg2i1fseq.6 𝑆 = (𝑚 ∈ ℕ ↦ (∫1‘(𝑃𝑚)))
itg2i1fseq2.7 (𝜑𝑀 ∈ ℝ)
itg2i1fseq2.8 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (∫1‘(𝑃𝑘)) ≤ 𝑀)
Assertion
Ref Expression
itg2i1fseq2 (𝜑𝑆 ⇝ (∫2𝐹))
Distinct variable groups:   𝑘,𝑚,𝑛,𝑥,𝐹   𝑘,𝑀,𝑛   𝑃,𝑘,𝑚,𝑛,𝑥   𝜑,𝑘,𝑚   𝑆,𝑘
Allowed substitution hints:   𝜑(𝑥,𝑛)   𝑆(𝑥,𝑚,𝑛)   𝑀(𝑥,𝑚)

Proof of Theorem itg2i1fseq2
Dummy variables 𝑦 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nnuz 11761 . . 3 ℕ = (ℤ‘1)
2 1zzd 11446 . . 3 (𝜑 → 1 ∈ ℤ)
3 itg2i1fseq.3 . . . . . 6 (𝜑𝑃:ℕ⟶dom ∫1)
43ffvelrnda 6399 . . . . 5 ((𝜑𝑚 ∈ ℕ) → (𝑃𝑚) ∈ dom ∫1)
5 itg1cl 23497 . . . . 5 ((𝑃𝑚) ∈ dom ∫1 → (∫1‘(𝑃𝑚)) ∈ ℝ)
64, 5syl 17 . . . 4 ((𝜑𝑚 ∈ ℕ) → (∫1‘(𝑃𝑚)) ∈ ℝ)
7 itg2i1fseq.6 . . . 4 𝑆 = (𝑚 ∈ ℕ ↦ (∫1‘(𝑃𝑚)))
86, 7fmptd 6425 . . 3 (𝜑𝑆:ℕ⟶ℝ)
93ffvelrnda 6399 . . . . 5 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (𝑃𝑘) ∈ dom ∫1)
10 peano2nn 11070 . . . . . 6 (𝑘 ∈ ℕ → (𝑘 + 1) ∈ ℕ)
11 ffvelrn 6397 . . . . . 6 ((𝑃:ℕ⟶dom ∫1 ∧ (𝑘 + 1) ∈ ℕ) → (𝑃‘(𝑘 + 1)) ∈ dom ∫1)
123, 10, 11syl2an 493 . . . . 5 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (𝑃‘(𝑘 + 1)) ∈ dom ∫1)
13 itg2i1fseq.4 . . . . . . 7 (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ (0𝑝𝑟 ≤ (𝑃𝑛) ∧ (𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1))))
14 simpr 476 . . . . . . . 8 ((0𝑝𝑟 ≤ (𝑃𝑛) ∧ (𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1))) → (𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1)))
1514ralimi 2981 . . . . . . 7 (∀𝑛 ∈ ℕ (0𝑝𝑟 ≤ (𝑃𝑛) ∧ (𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1))) → ∀𝑛 ∈ ℕ (𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1)))
1613, 15syl 17 . . . . . 6 (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ (𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1)))
17 fveq2 6229 . . . . . . . 8 (𝑛 = 𝑘 → (𝑃𝑛) = (𝑃𝑘))
18 oveq1 6697 . . . . . . . . 9 (𝑛 = 𝑘 → (𝑛 + 1) = (𝑘 + 1))
1918fveq2d 6233 . . . . . . . 8 (𝑛 = 𝑘 → (𝑃‘(𝑛 + 1)) = (𝑃‘(𝑘 + 1)))
2017, 19breq12d 4698 . . . . . . 7 (𝑛 = 𝑘 → ((𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1)) ↔ (𝑃𝑘) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑘 + 1))))
2120rspccva 3339 . . . . . 6 ((∀𝑛 ∈ ℕ (𝑃𝑛) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑛 + 1)) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝑃𝑘) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑘 + 1)))
2216, 21sylan 487 . . . . 5 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (𝑃𝑘) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑘 + 1)))
23 itg1le 23525 . . . . 5 (((𝑃𝑘) ∈ dom ∫1 ∧ (𝑃‘(𝑘 + 1)) ∈ dom ∫1 ∧ (𝑃𝑘) ∘𝑟 ≤ (𝑃‘(𝑘 + 1))) → (∫1‘(𝑃𝑘)) ≤ (∫1‘(𝑃‘(𝑘 + 1))))
249, 12, 22, 23syl3anc 1366 . . . 4 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (∫1‘(𝑃𝑘)) ≤ (∫1‘(𝑃‘(𝑘 + 1))))
25 fveq2 6229 . . . . . . 7 (𝑚 = 𝑘 → (𝑃𝑚) = (𝑃𝑘))
2625fveq2d 6233 . . . . . 6 (𝑚 = 𝑘 → (∫1‘(𝑃𝑚)) = (∫1‘(𝑃𝑘)))
27 fvex 6239 . . . . . 6 (∫1‘(𝑃𝑘)) ∈ V
2826, 7, 27fvmpt 6321 . . . . 5 (𝑘 ∈ ℕ → (𝑆𝑘) = (∫1‘(𝑃𝑘)))
2928adantl 481 . . . 4 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (𝑆𝑘) = (∫1‘(𝑃𝑘)))
30 fveq2 6229 . . . . . . . 8 (𝑚 = (𝑘 + 1) → (𝑃𝑚) = (𝑃‘(𝑘 + 1)))
3130fveq2d 6233 . . . . . . 7 (𝑚 = (𝑘 + 1) → (∫1‘(𝑃𝑚)) = (∫1‘(𝑃‘(𝑘 + 1))))
32 fvex 6239 . . . . . . 7 (∫1‘(𝑃‘(𝑘 + 1))) ∈ V
3331, 7, 32fvmpt 6321 . . . . . 6 ((𝑘 + 1) ∈ ℕ → (𝑆‘(𝑘 + 1)) = (∫1‘(𝑃‘(𝑘 + 1))))
3410, 33syl 17 . . . . 5 (𝑘 ∈ ℕ → (𝑆‘(𝑘 + 1)) = (∫1‘(𝑃‘(𝑘 + 1))))
3534adantl 481 . . . 4 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (𝑆‘(𝑘 + 1)) = (∫1‘(𝑃‘(𝑘 + 1))))
3624, 29, 353brtr4d 4717 . . 3 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (𝑆𝑘) ≤ (𝑆‘(𝑘 + 1)))
37 itg2i1fseq2.7 . . . 4 (𝜑𝑀 ∈ ℝ)
38 itg2i1fseq2.8 . . . . . 6 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (∫1‘(𝑃𝑘)) ≤ 𝑀)
3929, 38eqbrtrd 4707 . . . . 5 ((𝜑𝑘 ∈ ℕ) → (𝑆𝑘) ≤ 𝑀)
4039ralrimiva 2995 . . . 4 (𝜑 → ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑀)
41 breq2 4689 . . . . . 6 (𝑧 = 𝑀 → ((𝑆𝑘) ≤ 𝑧 ↔ (𝑆𝑘) ≤ 𝑀))
4241ralbidv 3015 . . . . 5 (𝑧 = 𝑀 → (∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑧 ↔ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑀))
4342rspcev 3340 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℝ ∧ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑀) → ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑧)
4437, 40, 43syl2anc 694 . . 3 (𝜑 → ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑧)
451, 2, 8, 36, 44climsup 14444 . 2 (𝜑𝑆 ⇝ sup(ran 𝑆, ℝ, < ))
46 itg2i1fseq.1 . . . 4 (𝜑𝐹 ∈ MblFn)
47 itg2i1fseq.2 . . . 4 (𝜑𝐹:ℝ⟶(0[,)+∞))
48 itg2i1fseq.5 . . . 4 (𝜑 → ∀𝑥 ∈ ℝ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((𝑃𝑛)‘𝑥)) ⇝ (𝐹𝑥))
4946, 47, 3, 13, 48, 7itg2i1fseq 23567 . . 3 (𝜑 → (∫2𝐹) = sup(ran 𝑆, ℝ*, < ))
50 frn 6091 . . . . 5 (𝑆:ℕ⟶ℝ → ran 𝑆 ⊆ ℝ)
518, 50syl 17 . . . 4 (𝜑 → ran 𝑆 ⊆ ℝ)
527, 6dmmptd 6062 . . . . . 6 (𝜑 → dom 𝑆 = ℕ)
53 1nn 11069 . . . . . . 7 1 ∈ ℕ
54 ne0i 3954 . . . . . . 7 (1 ∈ ℕ → ℕ ≠ ∅)
5553, 54mp1i 13 . . . . . 6 (𝜑 → ℕ ≠ ∅)
5652, 55eqnetrd 2890 . . . . 5 (𝜑 → dom 𝑆 ≠ ∅)
57 dm0rn0 5374 . . . . . 6 (dom 𝑆 = ∅ ↔ ran 𝑆 = ∅)
5857necon3bii 2875 . . . . 5 (dom 𝑆 ≠ ∅ ↔ ran 𝑆 ≠ ∅)
5956, 58sylib 208 . . . 4 (𝜑 → ran 𝑆 ≠ ∅)
60 ffn 6083 . . . . . . 7 (𝑆:ℕ⟶ℝ → 𝑆 Fn ℕ)
61 breq1 4688 . . . . . . . 8 (𝑦 = (𝑆𝑘) → (𝑦𝑧 ↔ (𝑆𝑘) ≤ 𝑧))
6261ralrn 6402 . . . . . . 7 (𝑆 Fn ℕ → (∀𝑦 ∈ ran 𝑆 𝑦𝑧 ↔ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑧))
638, 60, 623syl 18 . . . . . 6 (𝜑 → (∀𝑦 ∈ ran 𝑆 𝑦𝑧 ↔ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑧))
6463rexbidv 3081 . . . . 5 (𝜑 → (∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ ran 𝑆 𝑦𝑧 ↔ ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑘 ∈ ℕ (𝑆𝑘) ≤ 𝑧))
6544, 64mpbird 247 . . . 4 (𝜑 → ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ ran 𝑆 𝑦𝑧)
66 supxrre 12195 . . . 4 ((ran 𝑆 ⊆ ℝ ∧ ran 𝑆 ≠ ∅ ∧ ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ ran 𝑆 𝑦𝑧) → sup(ran 𝑆, ℝ*, < ) = sup(ran 𝑆, ℝ, < ))
6751, 59, 65, 66syl3anc 1366 . . 3 (𝜑 → sup(ran 𝑆, ℝ*, < ) = sup(ran 𝑆, ℝ, < ))
6849, 67eqtrd 2685 . 2 (𝜑 → (∫2𝐹) = sup(ran 𝑆, ℝ, < ))
6945, 68breqtrrd 4713 1 (𝜑𝑆 ⇝ (∫2𝐹))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 196   ∧ wa 383   = wceq 1523   ∈ wcel 2030   ≠ wne 2823  ∀wral 2941  ∃wrex 2942   ⊆ wss 3607  ∅c0 3948   class class class wbr 4685   ↦ cmpt 4762  dom cdm 5143  ran crn 5144   Fn wfn 5921  ⟶wf 5922  ‘cfv 5926  (class class class)co 6690   ∘𝑟 cofr 6938  supcsup 8387  ℝcr 9973  0cc0 9974  1c1 9975   + caddc 9977  +∞cpnf 10109  ℝ*cxr 10111   < clt 10112   ≤ cle 10113  ℕcn 11058  [,)cico 12215   ⇝ cli 14259  MblFncmbf 23428  ∫1citg1 23429  ∫2citg2 23430  0𝑝c0p 23481 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-cc 9295  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  ax-addf 10053 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-disj 4653  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-ofr 6940  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-omul 7610  df-er 7787  df-map 7901  df-pm 7902  df-en 7998  df-dom 7999  df-sdom 8000  df-fin 8001  df-fi 8358  df-sup 8389  df-inf 8390  df-oi 8456  df-card 8803  df-acn 8806  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-xneg 11984  df-xadd 11985  df-xmul 11986  df-ioo 12217  df-ioc 12218  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-rlim 14264  df-sum 14461  df-rest 16130  df-topgen 16151  df-psmet 19786  df-xmet 19787  df-met 19788  df-bl 19789  df-mopn 19790  df-top 20747  df-topon 20764  df-bases 20798  df-cmp 21238  df-ovol 23279  df-vol 23280  df-mbf 23433  df-itg1 23434  df-itg2 23435  df-0p 23482 This theorem is referenced by:  itg2i1fseq3  23569  itg2addlem  23570
 Copyright terms: Public domain W3C validator