-- Mathlib/MeasureTheory/Integral/VitaliCaratheodory.lean
theorem exists_upperSemicontinuous_le_lintegral_le (f : α → ℝ≥0) (int_f : (∫⁻ x, f x ∂μ) ≠ ∞)
    {ε : ℝ≥0∞} (ε0 : ε ≠ 0) :
    ∃ g : α → ℝ≥0, (∀ x, g x ≤ f x) ∧ UpperSemicontinuous g ∧
      (∫⁻ x, f x ∂μ) ≤ (∫⁻ x, g x ∂μ) + ε

Proof state:
case intro.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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : ∀ (x : α), fs x ≤ f x
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2
int_fs_lt_top : ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0
g_le_fs : ∀ (x : α), g x ≤ fs x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ε / 2
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ε

Tactic:
calc
  (∫⁻ x, f x ∂μ) ≤ (∫⁻ x, fs x ∂μ) + ε / 2 := int_fs
  _ ≤ (∫⁻ x, g x ∂μ) + ε / 2 + ε / 2 := add_le_add gint le_rfl
  _ = (∫⁻ x, g x ∂μ) + ε := by rw [add_assoc, ENNReal.add_halves]

Result:
no goals

Proof state:
case h.e'_4.h.e'_5
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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : fs ∈ fun φ => ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x)
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs).lintegral μ + ε / 2
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ = (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs).lintegral μ

Tactic:
rw [← SimpleFunc.lintegral_eq_lintegral]

Result:
case h.e'_4.h.e'_5
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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : fs ∈ fun φ => ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x)
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs).lintegral μ + ε / 2
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ = ∫⁻ (a : α), (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs) a ∂μ

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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
this :
  ∃ i,
    ∃ (_ : i ∈ fun φ => ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x)),
      ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal i).lintegral μ + ε / 2
⊢ ∃ fs, (∀ (x : α), fs x ≤ f x) ∧ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2

Tactic:
rcases this with ⟨fs, fs_le_f, int_fs⟩

Result:
case 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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : fs ∈ fun φ => ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x)
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs).lintegral μ + ε / 2
⊢ ∃ fs, (∀ (x : α), fs x ≤ f x) ∧ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2

Proof state:
case 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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : fs ∈ fun φ => ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x)
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs).lintegral μ + ε / 2
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2

Tactic:
convert int_fs.le

Result:
case h.e'_4.h.e'_5
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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : fs ∈ fun φ => ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x)
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs).lintegral μ + ε / 2
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ = (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs).lintegral μ

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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
this :
  ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ <
    (⨆ φ, ⨆ (_ : ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x)), (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal φ).lintegral μ) + ε / 2
⊢ ∃ fs, (∀ (x : α), fs x ≤ f x) ∧ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2

Tactic:
erw [ENNReal.biSup_add] at this <;> [skip; exact ⟨0, fun x => by simp⟩]

Result:
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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
this :
  ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ <
    ⨆ i ∈ fun φ => ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x), (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal i).lintegral μ + ε / 2
⊢ ∃ fs, (∀ (x : α), fs x ≤ f x) ∧ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2

Proof state:
case h.e'_4.h.e'_5
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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : fs ∈ fun φ => ∀ (x : α), ↑(φ x) ≤ ↑(f x)
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ < (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs).lintegral μ + ε / 2
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ = ∫⁻ (a : α), (SimpleFunc.map ENNReal.ofNNReal fs) a ∂μ

Tactic:
simp only [SimpleFunc.coe_map, Function.comp_apply]

Result:
no goals

Proof state:
case 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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : ∀ (x : α), fs x ≤ f x
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2
int_fs_lt_top : ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ ≠ ⊤
⊢ ∃ g, (∀ (x : α), g x ≤ f x) ∧ UpperSemicontinuous g ∧ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ε

Tactic:
obtain ⟨g, g_le_fs, gcont, gint⟩ :
  ∃ g : α → ℝ≥0,
    (∀ x, g x ≤ fs x) ∧ UpperSemicontinuous g ∧ (∫⁻ x, fs x ∂μ) ≤ (∫⁻ x, g x ∂μ) + ε / 2 :=
  fs.exists_upperSemicontinuous_le_lintegral_le int_fs_lt_top (ENNReal.half_pos ε0).ne'

Result:
case intro.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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : ∀ (x : α), fs x ≤ f x
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2
int_fs_lt_top : ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0
g_le_fs : ∀ (x : α), g x ≤ fs x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ε / 2
⊢ ∃ g, (∀ (x : α), g x ≤ f x) ∧ UpperSemicontinuous g ∧ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ε

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
int_f : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≠ ⊤
ε : ℝ≥0∞
ε0 : ε ≠ 0
fs : α →ₛ ℝ≥0
fs_le_f : ∀ (x : α), fs x ≤ f x
int_fs : ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ + ε / 2
int_fs_lt_top : ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0
g_le_fs : ∀ (x : α), g x ≤ fs x
gcont : UpperSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), ↑(fs x) ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ε / 2
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ε / 2 + ε / 2 = ∫⁻ (x : α), ↑(g x) ∂μ + ε

Tactic:
rw [add_assoc, ENNReal.add_halves]

Result:
no goals