-- Mathlib/MeasureTheory/Integral/VitaliCaratheodory.lean
theorem exists_upperSemicontinuous_lt_integral_gt [SigmaFinite μ] (f : α → ℝ) (hf : Integrable f μ)
    {ε : ℝ} (εpos : 0 < ε) :
    ∃ g : α → EReal,
      (∀ x, (g x : EReal) < f x) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧
      Integrable (fun x => EReal.toReal (g x)) μ ∧
      (∀ᵐ x ∂μ, ⊥ < g x) ∧ (∫ x, f x ∂μ) < (∫ x, EReal.toReal (g x) ∂μ) + ε

Proof state:
case intro.intro.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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), g x < ↑(f x)) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧
        Integrable (fun x => (g x).toReal) μ ∧
          (∀ᵐ (x : α) ∂μ, ⊥ < g x) ∧ ∫ (x : α), f x ∂μ < ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ + ε

Tactic:
refine ⟨fun x => -g x, ?_, ?_, ?_, ?_, ?_⟩

Result:
case 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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ ∀ (x : α), (fun x => -g x) x < ↑(f x)

case 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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ UpperSemicontinuous fun x => -g x

case intro.intro.intro.intro.intro.refine_3
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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ Integrable (fun x => ((fun x => -g x) x).toReal) μ

case intro.intro.intro.intro.intro.refine_4
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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ ∀ᵐ (x : α) ∂μ, ⊥ < (fun x => -g x) x

case intro.intro.intro.intro.intro.refine_5
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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ ∫ (x : α), f x ∂μ < ∫ (x : α), ((fun x => -g x) x).toReal ∂μ + ε

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.refine_5
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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ ∫ (x : α), f x ∂μ < ∫ (x : α), ((fun x => -g x) x).toReal ∂μ + ε

Tactic:
simp_rw [integral_neg, lt_neg_add_iff_add_lt] at gint

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.refine_5
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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (a : α), f a ∂μ + ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ε
⊢ ∫ (x : α), f x ∂μ < ∫ (x : α), ((fun x => -g x) x).toReal ∂μ + ε

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.refine_4
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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ ∀ᵐ (x : α) ∂μ, ⊥ < (fun x => -g x) x

Tactic:
simpa [bot_lt_iff_ne_bot, lt_top_iff_ne_top] using g_lt_top

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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), g x < ↑(f x)) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧
        Integrable (fun x => (g x).toReal) μ ∧
          (∀ᵐ (x : α) ∂μ, ⊥ < g x) ∧ ∫ (x : α), f x ∂μ < ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ + ε

Tactic:
rcases exists_lt_lowerSemicontinuous_integral_lt (fun x => -f x) hf.neg εpos with
  ⟨g, g_lt_f, gcont, g_integrable, g_lt_top, gint⟩

Result:
case intro.intro.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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
⊢ ∃ g,
    (∀ (x : α), g x < ↑(f x)) ∧
      UpperSemicontinuous g ∧
        Integrable (fun x => (g x).toReal) μ ∧
          (∀ᵐ (x : α) ∂μ, ⊥ < g x) ∧ ∫ (x : α), f x ∂μ < ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ + ε

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
hf : Integrable f μ
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
g : α → EReal
g_lt_f : ∀ (x : α), ↑(-f x) < g x
gcont : LowerSemicontinuous g
g_integrable : Integrable (fun x => (g x).toReal) μ
g_lt_top : ∀ᵐ (x : α) ∂μ, g x < ⊤
gint : ∫ (x : α), (g x).toReal ∂μ < ∫ (x : α), -f x ∂μ + ε
x : α
⊢ -↑(f x) < g x

Tactic:
simpa only [EReal.coe_neg] using g_lt_f x

Result:
no goals