-- Mathlib/MeasureTheory/Integral/VitaliCaratheodory.lean
theorem exists_lt_lowerSemicontinuous_integral_gt_nnreal [SigmaFinite μ] (f : α → ℝ≥0)
    (fint : Integrable (fun x => (f x : ℝ)) μ) {ε : ℝ} (εpos : 0 < ε) :
    ∃ g : α → ℝ≥0∞,
      (∀ x, (f x : ℝ≥0∞) < g x) ∧
      LowerSemicontinuous g ∧
      (∀ᵐ x ∂μ, g x < ⊤) ∧
      Integrable (fun x => (g x).toReal) μ ∧ (∫ x, (g x).toReal ∂μ) < (∫ x, ↑(f x) ∂μ) + ε

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine_1
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0∞
f_lt_g : ∀ (x : α), ↑(f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ
gint_ne : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≠ ⊤
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
Ig : ∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ = ∫⁻ (a : α), g a ∂μ
⊢ Integrable (fun x => (g x).toReal) μ

Tactic:
refine ⟨gcont.measurable.ennreal_toReal.aemeasurable.aestronglyMeasurable, ?_⟩

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine_1
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0∞
f_lt_g : ∀ (x : α), ↑(f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ
gint_ne : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≠ ⊤
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
Ig : ∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ = ∫⁻ (a : α), g a ∂μ
⊢ HasFiniteIntegral (fun x => (g x).toReal) μ

Proof state:
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0∞
f_lt_g : ∀ (x : α), ↑(f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ
gint_ne : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≠ ⊤
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
Ig : ∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ = ∫⁻ (a : α), g a ∂μ
⊢ (∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ).toReal = (∫⁻ (a : α), g a ∂μ).toReal

Tactic:
congr 1

Result:
no goals

Proof state:
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0∞
f_lt_g : ∀ (x : α), ↑(f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ
⊢ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ ≠ ⊤

Tactic:
simpa

Result:
no goals

Proof state:
case h
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0∞
f_lt_g : ∀ (x : α), ↑(f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ
gint_ne : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≠ ⊤
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
a✝ : α
hx : g a✝ < ⊤
⊢ ENNReal.ofReal (g a✝).toReal = g a✝

Tactic:
simp only [hx.ne, ENNReal.ofReal_toReal, Ne, not_false_iff]

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine_2
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0∞
f_lt_g : ∀ (x : α), ↑(f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ
gint_ne : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≠ ⊤
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
Ig : ∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ = ∫⁻ (a : α), g a ∂μ
⊢ (∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ).toReal < (∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal ↑(f a) ∂μ).toReal + ↑ε

Tactic:
calc
  ENNReal.toReal (∫⁻ a : α, ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ) =
      ENNReal.toReal (∫⁻ a : α, g a ∂μ) := by congr 1
  _ ≤ ENNReal.toReal ((∫⁻ a : α, f a ∂μ) + δ) := by
    apply ENNReal.toReal_mono _ gint
    simpa using int_f_ne_top
  _ = ENNReal.toReal (∫⁻ a : α, f a ∂μ) + δ := by
    rw [ENNReal.toReal_add int_f_ne_top ENNReal.coe_ne_top, ENNReal.coe_toReal]
  _ < ENNReal.toReal (∫⁻ a : α, f a ∂μ) + ε := add_lt_add_left hδε _
  _ = (∫⁻ a : α, ENNReal.ofReal ↑(f a) ∂μ).toReal + ε := by simp

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), ↑(f x) < g x) ∧
      LowerSemicontinuous g ∧
        (∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤) ∧
          Integrable (fun x => (g x).toReal) μ ∧ ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑ε

Tactic:
have int_f_ne_top : (∫⁻ a : α, f a ∂μ) ≠ ∞ :=
  (hasFiniteIntegral_iff_ofNNReal.1 fint.hasFiniteIntegral).ne

Result:
case intro.intro.intro
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), ↑(f x) < g x) ∧
      LowerSemicontinuous g ∧
        (∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤) ∧
          Integrable (fun x => (g x).toReal) μ ∧ ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑ε

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine_1
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0∞
f_lt_g : ∀ (x : α), ↑(f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ
gint_ne : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≠ ⊤
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
Ig : ∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ = ∫⁻ (a : α), g a ∂μ
⊢ HasFiniteIntegral (fun x => (g x).toReal) μ

Tactic:
simp only [hasFiniteIntegral_iff_norm, Real.norm_eq_abs, abs_of_nonneg ENNReal.toReal_nonneg]

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine_1
α : Type u_1
inst✝⁴ : TopologicalSpace α
inst✝³ : MeasurableSpace α
inst✝² : BorelSpace α
μ : Measure α
inst✝¹ : μ.WeaklyRegular
inst✝ : SigmaFinite μ
f : α → ℝ≥0
fint : Integrable (fun x => ↑(f x)) μ
fmeas : AEMeasurable f μ
ε : ℝ≥0
εpos : 0 < ↑ε
δ : ℝ≥0
δpos : 0 < δ
hδε : δ < ε
int_f_ne_top : ∫⁻ (a : α), ↑(f a) ∂μ ≠ ⊤
g : α → ℝ≥0∞
f_lt_g : ∀ (x : α), ↑(f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
gint : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≤ ∫⁻ (x : α), ↑(f x) ∂μ + ↑δ
gint_ne : ∫⁻ (x : α), g x ∂μ ≠ ⊤
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
Ig : ∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ = ∫⁻ (a : α), g a ∂μ
⊢ ∫⁻ (a : α), ENNReal.ofReal (g a).toReal ∂μ < ⊤