-- Mathlib/Analysis/SpecialFunctions/Gamma/BohrMollerup.lean
theorem Gamma_mul_add_mul_le_rpow_Gamma_mul_rpow_Gamma {s t a b : ℝ} (hs : 0 < s) (ht : 0 < t)
    (ha : 0 < a) (hb : 0 < b) (hab : a + b = 1) :
    Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b

Proof state:
case h.e'_4
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
fpow : ∀ {c x : ℝ}, 0 < c → ∀ (u : ℝ), 0 < x → rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)
f_mem_Lp : ∀ {c u : ℝ}, 0 < c → 0 < u → MemLp (f c u) (ENNReal.ofReal (1 / c)) (volume.restrict (Ioi 0))
⊢ (∫ (x : ℝ) in Ioi 0, rexp (-x) * x ^ (s - 1)) ^ a * (∫ (x : ℝ) in Ioi 0, rexp (-x) * x ^ (t - 1)) ^ b =
    (∫ (a_1 : ℝ) in Ioi 0, f a s a_1 ^ (1 / a)) ^ (1 / (1 / a)) *
      (∫ (a : ℝ) in Ioi 0, f b t a ^ (1 / b)) ^ (1 / (1 / b))

Tactic:
rw [one_div_one_div, one_div_one_div]

Result:
case h.e'_4
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
fpow : ∀ {c x : ℝ}, 0 < c → ∀ (u : ℝ), 0 < x → rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)
f_mem_Lp : ∀ {c u : ℝ}, 0 < c → 0 < u → MemLp (f c u) (ENNReal.ofReal (1 / c)) (volume.restrict (Ioi 0))
⊢ (∫ (x : ℝ) in Ioi 0, rexp (-x) * x ^ (s - 1)) ^ a * (∫ (x : ℝ) in Ioi 0, rexp (-x) * x ^ (t - 1)) ^ b =
    (∫ (a_1 : ℝ) in Ioi 0, f a s a_1 ^ (1 / a)) ^ a * (∫ (a : ℝ) in Ioi 0, f b t a ^ (1 / b)) ^ b

Proof state:
case h.e'_4
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
fpow : ∀ {c x : ℝ}, 0 < c → ∀ (u : ℝ), 0 < x → rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)
f_mem_Lp : ∀ {c u : ℝ}, 0 < c → 0 < u → MemLp (f c u) (ENNReal.ofReal (1 / c)) (volume.restrict (Ioi 0))
⊢ (∫ (x : ℝ) in Ioi 0, rexp (-x) * x ^ (s - 1)) ^ a * (∫ (x : ℝ) in Ioi 0, rexp (-x) * x ^ (t - 1)) ^ b =
    (∫ (a_1 : ℝ) in Ioi 0, f a s a_1 ^ (1 / a)) ^ a * (∫ (a : ℝ) in Ioi 0, f b t a ^ (1 / b)) ^ b

Tactic:
congr 2 <;> exact setIntegral_congr_fun measurableSet_Ioi fun x hx => fpow (by assumption) _ hx

Result:
no goals

Proof state:
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
fpow : ∀ {c x : ℝ}, 0 < c → ∀ (u : ℝ), 0 < x → rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)
f_mem_Lp : ∀ {c u : ℝ}, 0 < c → 0 < u → MemLp (f c u) (ENNReal.ofReal (1 / c)) (volume.restrict (Ioi 0))
x : ℝ
hx : x ∈ Ioi 0
⊢ 0 < b

Tactic:
assumption

Result:
no goals

Proof state:
case h.e'_3
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
fpow : ∀ {c x : ℝ}, 0 < c → ∀ (u : ℝ), 0 < x → rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)
f_mem_Lp : ∀ {c u : ℝ}, 0 < c → 0 < u → MemLp (f c u) (ENNReal.ofReal (1 / c)) (volume.restrict (Ioi 0))
x : ℝ
hx : x ∈ Ioi 0
A : rexp (-x) = rexp (-a * x) * rexp (-b * x)
B : x ^ (a * s + b * t - 1) = x ^ (a * (s - 1)) * x ^ (b * (t - 1))
⊢ rexp (-a * x) * rexp (-b * x) * (x ^ (a * (s - 1)) * x ^ (b * (t - 1))) = f a s x * f b t x

Tactic:
ring

Result:
no goals

Proof state:
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
⊢ Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b

Tactic:
have fpow :
  ∀ {c x : ℝ} (_ : 0 < c) (u : ℝ) (_ : 0 < x), exp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c) := by
  intro c x hc u hx
  dsimp only [f]
  rw [mul_rpow (exp_pos _).le ((rpow_nonneg hx.le) _), ← exp_mul, ← rpow_mul hx.le]
  congr 2 <;> field_simp [hc.ne']; ring

Result:
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
fpow : ∀ {c x : ℝ}, 0 < c → ∀ (u : ℝ), 0 < x → rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)
⊢ Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b

Proof state:
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
fpow : ∀ {c x : ℝ}, 0 < c → ∀ (u : ℝ), 0 < x → rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)
c u : ℝ
hc : 0 < c
hu : 0 < u
A : ENNReal.ofReal (1 / c) ≠ 0
B : ENNReal.ofReal (1 / c) ≠ ⊤
⊢ (fun x => rexp (-x) * x ^ (u - 1)) =ᶠ[ae (volume.restrict (Ioi 0))] fun x => ‖f c u x‖ ^ (1 / c)

Tactic:
refine eventuallyEq_of_mem (self_mem_ae_restrict measurableSet_Ioi) fun x hx => ?_

Result:
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
hst : 0 < a * s + b * t
posf : ∀ (c u x : ℝ), x ∈ Ioi 0 → 0 ≤ f c u x
posf' : ∀ (c u : ℝ), ∀ᵐ (x : ℝ) ∂volume.restrict (Ioi 0), 0 ≤ f c u x
fpow : ∀ {c x : ℝ}, 0 < c → ∀ (u : ℝ), 0 < x → rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)
c u : ℝ
hc : 0 < c
hu : 0 < u
A : ENNReal.ofReal (1 / c) ≠ 0
B : ENNReal.ofReal (1 / c) ≠ ⊤
x : ℝ
hx : x ∈ Ioi 0
⊢ rexp (-x) * x ^ (u - 1) = ‖f c u x‖ ^ (1 / c)

Proof state:
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
⊢ Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b

Tactic:
have hab' : b = 1 - a := by linarith

Result:
s t a b : ℝ
hs : 0 < s
ht : 0 < t
ha : 0 < a
hb : 0 < b
hab : a + b = 1
f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))
e : (1 / a).IsConjExponent (1 / b)
hab' : b = 1 - a
⊢ Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b