-- Mathlib/Analysis/SpecialFunctions/Gamma/Beta.lean
theorem GammaSeq_eq_approx_Gamma_integral {s : ℂ} (hs : 0 < re s) {n : ℕ} (hn : n ≠ 0) :
    GammaSeq s n = ∫ x : ℝ in (0)..n, ↑((1 - x / n) ^ n) * (x : ℂ) ^ (s - 1)

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
⊢ ↑n ^ s * (↑x ^ (s - 1) * (1 - ↑x) ^ ↑n) = ↑↑n * (↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1))

Tactic:
push_cast

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
⊢ ↑n ^ s * (↑x ^ (s - 1) * (1 - ↑x) ^ ↑n) = ↑n * ((1 - ↑x) ^ n * (↑x * ↑n) ^ (s - 1))

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
⊢ s.GammaSeq n = ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1)

Tactic:
rw [GammaSeq_eq_betaIntegral_of_re_pos hs]

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
⊢ ↑n ^ s * s.betaIntegral (↑n + 1) = ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1)

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
hn' : ↑n ≠ 0
A : ↑n ^ s = ↑n ^ (s - 1) * ↑n
⊢ (↑x * ↑n) ^ (s - 1) = ↑x ^ (s - 1) * ↑n ^ (s - 1)

Tactic:
rw [← ofReal_natCast,
  mul_cpow_ofReal_nonneg hx.1.le (Nat.cast_pos.mpr (Nat.pos_of_ne_zero hn)).le]

Result:
no goals

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
⊢ ∫ (x : ℝ) in Ioc 0 1, ↑n ^ s * (↑x ^ (s - 1) * (1 - ↑x) ^ ↑n) ∂volume =
    ∫ (x : ℝ) in Ioc 0 1, ↑↑n * (↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)) ∂volume

Tactic:
refine setIntegral_congr_fun measurableSet_Ioc fun x hx => ?_

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
⊢ ↑n ^ s * (↑x ^ (s - 1) * (1 - ↑x) ^ ↑n) = ↑↑n * (↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1))

Proof state:
case h
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
x : ℝ
⊢ ↑n ≠ 0

Tactic:
exact Nat.cast_ne_zero.mpr hn

Result:
no goals

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
hn' : ↑n ≠ 0
A : ↑n ^ s = ↑n ^ (s - 1) * ↑n
⊢ ↑n ^ s * (↑x ^ (s - 1) * (1 - ↑x) ^ ↑n) = ↑n * ((1 - ↑x) ^ n * (↑x * ↑n) ^ (s - 1))

Tactic:
have B : ((x : ℂ) * ↑n) ^ (s - 1) = (x : ℂ) ^ (s - 1) * (n : ℂ) ^ (s - 1) := by
  rw [← ofReal_natCast,
    mul_cpow_ofReal_nonneg hx.1.le (Nat.cast_pos.mpr (Nat.pos_of_ne_zero hn)).le]

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
hn' : ↑n ≠ 0
A : ↑n ^ s = ↑n ^ (s - 1) * ↑n
B : (↑x * ↑n) ^ (s - 1) = ↑x ^ (s - 1) * ↑n ^ (s - 1)
⊢ ↑n ^ s * (↑x ^ (s - 1) * (1 - ↑x) ^ ↑n) = ↑n * ((1 - ↑x) ^ n * (↑x * ↑n) ^ (s - 1))

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
⊢ ↑n ^ s * s.betaIntegral (↑n + 1) = ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1)

Tactic:
rw [betaIntegral, this, real_smul, zero_div, div_self, add_sub_cancel_right,
  ← intervalIntegral.integral_const_mul, ← intervalIntegral.integral_const_mul]

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
⊢ ∫ (x : ℝ) in 0 ..1, ↑n ^ s * (↑x ^ (s - 1) * (1 - ↑x) ^ ↑n) =
    ∫ (x : ℝ) in 0 ..1, ↑↑n * (↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1))

s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
⊢ ↑n ≠ 0

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
hn' : ↑n ≠ 0
⊢ s = s - 1 + 1

Tactic:
ring

Result:
no goals

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
⊢ s.GammaSeq n = ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑x ^ (s - 1)

Tactic:
have : ∀ x : ℝ, x = x / n * n := by intro x; rw [div_mul_cancel₀]; exact Nat.cast_ne_zero.mpr hn

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
⊢ s.GammaSeq n = ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑x ^ (s - 1)

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
hn' : ↑n ≠ 0
⊢ ↑n ^ s = ↑n ^ (s - 1) * ↑n

Tactic:
conv_lhs => rw [(by ring : s = s - 1 + 1), cpow_add _ _ hn']

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
hn' : ↑n ≠ 0
⊢ ↑n ^ (s - 1) * ↑n ^ 1 = ↑n ^ (s - 1) * ↑n

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
⊢ ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n

Tactic:
intro x

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
x : ℝ
⊢ x = x / ↑n * ↑n

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
hn' : ↑n ≠ 0
⊢ ↑n ^ (s - 1) * ↑n ^ 1 = ↑n ^ (s - 1) * ↑n

Tactic:
simp

Result:
no goals

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this✝ : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
this :
  ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1) =
    ↑n • ∫ (x : ℝ) in 0 / ↑n..↑n / ↑n, ↑((1 - x) ^ n) * ↑(x * ↑n) ^ (s - 1)
x : ℝ
hx : x ∈ Ioc 0 1
hn' : ↑n ≠ 0
A : ↑n ^ s = ↑n ^ (s - 1) * ↑n
B : (↑x * ↑n) ^ (s - 1) = ↑x ^ (s - 1) * ↑n ^ (s - 1)
⊢ ↑n ^ (s - 1) * ↑n * (↑x ^ (s - 1) * (1 - ↑x) ^ n) = ↑n * ((1 - ↑x) ^ n * (↑x ^ (s - 1) * ↑n ^ (s - 1)))

Tactic:
ring

Result:
no goals

Proof state:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
⊢ s.GammaSeq n = ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑x ^ (s - 1)

Tactic:
conv_rhs => enter [1, x, 2, 1]; rw [this x]

Result:
s : ℂ
hs : 0 < s.re
n : ℕ
hn : n ≠ 0
this : ∀ (x : ℝ), x = x / ↑n * ↑n
⊢ s.GammaSeq n = ∫ (x : ℝ) in 0 ..↑n, ↑((1 - x / ↑n) ^ n) * ↑(x / ↑n * ↑n) ^ (s - 1)