-- Mathlib/MeasureTheory/Integral/VitaliCaratheodory.lean
theorem exists_upperSemicontinuous_le_integral_le (f : α → ℝ≥0)
    (fint : Integrable (fun x => (f x : ℝ)) μ) {ε : ℝ} (εpos : 0 < ε) :
    ∃ g : α → ℝ≥0,
      (∀ x, g x ≤ f x) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧
      Integrable (fun x => (g x : ℝ)) μ ∧ (∫ x, (f x : ℝ) ∂μ) - ε ≤ ∫ x, ↑(g x) ∂μ

Proof state:
case intro
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), g x ≤ f x) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧ Integrable (fun x => ↑(g x)) μ ∧ ∫ (x : α), ↑(f x) ∂μ - ↑ε ≤ ∫ (x : α), ↑(g x) ∂μ

Tactic:
rcases exists_upperSemicontinuous_le_lintegral_le f If.ne εpos.ne' with ⟨g, gf, gcont, gint⟩

Result:
case intro.intro.intro.intro
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), g x ≤ f x) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧ Integrable (fun x => ↑(g x)) μ ∧ ∫ (x : α), ↑(f x) ∂μ - ↑ε ≤ ∫ (x : α), ↑(g x) ∂μ

Proof state:
case h.e'_4
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ (∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal ↑(g a) ∂μ).toReal + ↑ε = (∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε).toReal

Tactic:
rw [ENNReal.toReal_add Ig.ne ENNReal.coe_ne_top]

Result:
case h.e'_4
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ (∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal ↑(g a) ∂μ).toReal + ↑ε = (∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ).toReal + (↑ε).toReal

Proof state:
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
x : α
⊢ ‖↑(g x)‖ ≤ ‖↑(f x)‖

Tactic:
simp [gf x]

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.refine_1
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ Integrable (fun x => ↑(g x)) μ

Tactic:
refine
  Integrable.mono fint gcont.measurable.coe_nnreal_real.aemeasurable.aestronglyMeasurable ?_

Result:
case intro.intro.intro.intro.refine_1
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ ∀ᵐ (a : α) ∂μ, ‖↑(g a)‖ ≤ ‖↑(f a)‖

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), g x ≤ f x) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧ Integrable (fun x => ↑(g x)) μ ∧ ∫ (x : α), ↑(f x) ∂μ - ↑ε ≤ ∫ (x : α), ↑(g x) ∂μ

Tactic:
refine ⟨g, gf, gcont, ?_, ?_⟩

Result:
case intro.intro.intro.intro.refine_1
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ Integrable (fun x => ↑(g x)) μ

case intro.intro.intro.intro.refine_2
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ ∫ (x : α), ↑(f x) ∂μ - ↑ε ≤ ∫ (x : α), ↑(g x) ∂μ

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.refine_1
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ ∀ᵐ (a : α) ∂μ, ‖↑(g a)‖ ≤ ‖↑(f a)‖

Tactic:
exact Filter.Eventually.of_forall fun x => by simp [gf x]

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.refine_2
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε ≠ ⊤

Tactic:
simpa using Ig.ne

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), g x ≤ f x) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧ Integrable (fun x => ↑(g x)) μ ∧ ∫ (x : α), ↑(f x) ∂μ - ↑ε ≤ ∫ (x : α), ↑(g x) ∂μ

Tactic:
have Ig : (∫⁻ x, g x ∂μ) < ∞ := by
  refine lt_of_le_of_lt (lintegral_mono fun x => ?_) If
  simpa using gf x

Result:
case intro.intro.intro.intro
α : Type u_1
inst✝³ : TopologicalSpace α
inst✝² : MeasurableSpace α
inst✝¹ : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝ : μ.WeaklyRegular
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
If : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < ⊤
g : α → ℝ≥0
gf : ∀ (x : α), g x ≤ f x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ↑ε
Ig : ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ < ⊤
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), g x ≤ f x) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧ Integrable (fun x => ↑(g x)) μ ∧ ∫ (x : α), ↑(f x) ∂μ - ↑ε ≤ ∫ (x : α), ↑(g x) ∂μ