-- 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:
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
⊢ Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b

Tactic:
have posf : ∀ c u x : ℝ, x ∈ Ioi (0 : ℝ) → 0 ≤ f c u x := fun c u x hx =>
  mul_nonneg (exp_pos _).le (rpow_pos_of_pos hx _).le

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
⊢ 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) ≠ ⊤
⊢ MemLp (f c u) (ENNReal.ofReal (1 / c)) (volume.restrict (Ioi 0))

Tactic:
rw [← memLp_norm_rpow_iff _ A B, ENNReal.toReal_ofReal (one_div_nonneg.mpr hc.le),
  ENNReal.div_self A B, memLp_one_iff_integrable]

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) ≠ ⊤
⊢ Integrable (fun x => ‖f c u x‖ ^ (1 / c)) (volume.restrict (Ioi 0))

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) ≠ ⊤
⊢ AEStronglyMeasurable (f c u) (volume.restrict (Ioi 0))

Proof state:
case refine_1
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) ≠ ⊤
⊢ Continuous fun x => rexp (-c * x)

Tactic:
exact continuous_exp.comp (continuous_const.mul continuous_id')

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
⊢ Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b

Tactic:
have hst : 0 < a * s + b * t := by positivity

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
⊢ 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
c x : ℝ
hc : 0 < c
u : ℝ
hx : 0 < x
⊢ rexp (-x) * x ^ (u - 1) = f c u x ^ (1 / c)

Tactic:
dsimp only [f]

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
c x : ℝ
hc : 0 < c
u : ℝ
hx : 0 < x
⊢ rexp (-x) * x ^ (u - 1) = (rexp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))) ^ (1 / c)

Proof state:
case e_a
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)
⊢ a * s + (1 - a) * t - 1 = a * (s - 1) + (1 - a) * (t - 1)

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
⊢ Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b

Tactic:
let f : ℝ → ℝ → ℝ → ℝ := fun c u x => exp (-c * x) * x ^ (c * (u - 1))

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))
⊢ Gamma (a * s + b * t) ≤ Gamma s ^ a * Gamma t ^ b

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)
⊢ rexp (-x) * x ^ (a * s + b * t - 1) = f a s x * f b t x

Tactic:
have B : x ^ (a * s + b * t - 1) = x ^ (a * (s - 1)) * x ^ (b * (t - 1)) := by
  rw [← rpow_add hx, hab']; congr 1; ring

Result:
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 (-x) * x ^ (a * s + b * t - 1) = f a s x * f b t x