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Theorem itgsubst

Description: Integration by u -substitution. If A ( x ) is a continuous, differentiable function from [ X , Y ] to ( Z , W ) , whose derivative is continuous and integrable, and C ( u ) is a continuous function on ( Z , W ) , then the integral of C ( u ) from K = A ( X ) to L = A ( Y ) is equal to the integral of C ( A ( x ) ) _D A ( x ) from X to Y . In this part of the proof we discharge the assumptions in itgsubstlem , which use the fact that ( Z , W ) is open to shrink the interval a little to ( M , N ) where Z < M < N < W - this is possible because A ( x ) is a continuous function on a closed interval, so its range is in fact a closed interval, and we have some wiggle room on the edges. (Contributed by Mario Carneiro, 7-Sep-2014)

Ref Expression
Hypotheses itgsubst.x φ X
itgsubst.y φ Y
itgsubst.le φ X Y
itgsubst.z φ Z *
itgsubst.w φ W *
itgsubst.a φ x X Y A : X Y cn Z W
itgsubst.b φ x X Y B X Y cn 𝐿 1
itgsubst.c φ u Z W C : Z W cn
itgsubst.da φ dx X Y A d x = x X Y B
itgsubst.e u = A C = E
itgsubst.k x = X A = K
itgsubst.l x = Y A = L
Assertion itgsubst φ K L C du = X Y E B dx

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 itgsubst.x φ X
2 itgsubst.y φ Y
3 itgsubst.le φ X Y
4 itgsubst.z φ Z *
5 itgsubst.w φ W *
6 itgsubst.a φ x X Y A : X Y cn Z W
7 itgsubst.b φ x X Y B X Y cn 𝐿 1
8 itgsubst.c φ u Z W C : Z W cn
9 itgsubst.da φ dx X Y A d x = x X Y B
10 itgsubst.e u = A C = E
11 itgsubst.k x = X A = K
12 itgsubst.l x = Y A = L
13 ioossre Z W
14 ax-resscn
15 cncfss Z W X Y cn Z W X Y cn
16 13 14 15 mp2an X Y cn Z W X Y cn
17 16 6 sselid φ x X Y A : X Y cn
18 1 2 3 17 evthicc φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z
19 ressxr *
20 13 19 sstri Z W *
21 cncff x X Y A : X Y cn Z W x X Y A : X Y Z W
22 6 21 syl φ x X Y A : X Y Z W
23 22 adantr φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y x X Y A : X Y Z W
24 simprl φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y y X Y
25 23 24 ffvelrnd φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y x X Y A y Z W
26 20 25 sselid φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y x X Y A y *
27 5 adantr φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y W *
28 eliooord x X Y A y Z W Z < x X Y A y x X Y A y < W
29 25 28 syl φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y Z < x X Y A y x X Y A y < W
30 29 simprd φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y x X Y A y < W
31 qbtwnxr x X Y A y * W * x X Y A y < W n x X Y A y < n n < W
32 26 27 30 31 syl3anc φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W
33 qre n n
34 33 ad2antrl φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W n
35 4 ad2antrr φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W Z *
36 26 adantr φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W x X Y A y *
37 34 rexrd φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W n *
38 29 simpld φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y Z < x X Y A y
39 38 adantr φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W Z < x X Y A y
40 simprrl φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W x X Y A y < n
41 35 36 37 39 40 xrlttrd φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W Z < n
42 simprrr φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W n < W
43 5 ad2antrr φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W W *
44 elioo2 Z * W * n Z W n Z < n n < W
45 35 43 44 syl2anc φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W n Z W n Z < n n < W
46 34 41 42 45 mpbir3and φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W n Z W
47 anass φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y
48 simprrl φ y X Y n x X Y A y < n n < W x X Y A y < n
49 48 adantr φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A y < n
50 22 ad2antrr φ y X Y n x X Y A y < n n < W x X Y A : X Y Z W
51 50 ffvelrnda φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A z Z W
52 20 51 sselid φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A z *
53 simplr φ y X Y n x X Y A y < n n < W y X Y
54 50 53 ffvelrnd φ y X Y n x X Y A y < n n < W x X Y A y Z W
55 20 54 sselid φ y X Y n x X Y A y < n n < W x X Y A y *
56 55 adantr φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A y *
57 33 ad2antrl φ y X Y n x X Y A y < n n < W n
58 57 adantr φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y n
59 58 rexrd φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y n *
60 xrlelttr x X Y A z * x X Y A y * n * x X Y A z x X Y A y x X Y A y < n x X Y A z < n
61 52 56 59 60 syl3anc φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A z x X Y A y x X Y A y < n x X Y A z < n
62 49 61 mpan2d φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A z x X Y A y x X Y A z < n
63 62 ralimdva φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A z x X Y A y z X Y x X Y A z < n
64 63 imp φ y X Y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A z x X Y A y z X Y x X Y A z < n
65 64 an32s φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A z < n
66 47 65 sylanbr φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n x X Y A y < n n < W z X Y x X Y A z < n
67 32 46 66 reximssdv φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n Z W z X Y x X Y A z < n
68 67 rexlimdvaa φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y n Z W z X Y x X Y A z < n
69 4 adantr φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z Z *
70 22 adantr φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z x X Y A : X Y Z W
71 simprl φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z y X Y
72 70 71 ffvelrnd φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z x X Y A y Z W
73 20 72 sselid φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z x X Y A y *
74 72 28 syl φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z Z < x X Y A y x X Y A y < W
75 74 simpld φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z Z < x X Y A y
76 qbtwnxr Z * x X Y A y * Z < x X Y A y m Z < m m < x X Y A y
77 69 73 75 76 syl3anc φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y
78 qre m m
79 78 ad2antrl φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y m
80 simprrl φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y Z < m
81 79 rexrd φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y m *
82 73 adantr φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y x X Y A y *
83 5 ad2antrr φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y W *
84 simprrr φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y m < x X Y A y
85 74 simprd φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z x X Y A y < W
86 85 adantr φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y x X Y A y < W
87 81 82 83 84 86 xrlttrd φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y m < W
88 4 ad2antrr φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y Z *
89 elioo2 Z * W * m Z W m Z < m m < W
90 88 83 89 syl2anc φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y m Z W m Z < m m < W
91 79 80 87 90 mpbir3and φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y m Z W
92 anass φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z
93 simprrr φ y X Y m Z < m m < x X Y A y m < x X Y A y
94 93 adantr φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y m < x X Y A y
95 78 ad2antrl φ y X Y m Z < m m < x X Y A y m
96 95 adantr φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y m
97 96 rexrd φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y m *
98 22 ad2antrr φ y X Y m Z < m m < x X Y A y x X Y A : X Y Z W
99 simplr φ y X Y m Z < m m < x X Y A y y X Y
100 98 99 ffvelrnd φ y X Y m Z < m m < x X Y A y x X Y A y Z W
101 20 100 sselid φ y X Y m Z < m m < x X Y A y x X Y A y *
102 101 adantr φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y x X Y A y *
103 98 ffvelrnda φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y x X Y A z Z W
104 20 103 sselid φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y x X Y A z *
105 xrltletr m * x X Y A y * x X Y A z * m < x X Y A y x X Y A y x X Y A z m < x X Y A z
106 97 102 104 105 syl3anc φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y m < x X Y A y x X Y A y x X Y A z m < x X Y A z
107 94 106 mpand φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y x X Y A y x X Y A z m < x X Y A z
108 107 ralimdva φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y x X Y A y x X Y A z z X Y m < x X Y A z
109 108 imp φ y X Y m Z < m m < x X Y A y z X Y x X Y A y x X Y A z z X Y m < x X Y A z
110 109 an32s φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y z X Y m < x X Y A z
111 92 110 sylanbr φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z < m m < x X Y A y z X Y m < x X Y A z
112 77 91 111 reximssdv φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z W z X Y m < x X Y A z
113 112 rexlimdvaa φ y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z m Z W z X Y m < x X Y A z
114 ancom n Z W z X Y x X Y A z < n m Z W z X Y m < x X Y A z m Z W z X Y m < x X Y A z n Z W z X Y x X Y A z < n
115 reeanv m Z W n Z W z X Y m < x X Y A z z X Y x X Y A z < n m Z W z X Y m < x X Y A z n Z W z X Y x X Y A z < n
116 114 115 bitr4i n Z W z X Y x X Y A z < n m Z W z X Y m < x X Y A z m Z W n Z W z X Y m < x X Y A z z X Y x X Y A z < n
117 r19.26 z X Y m < x X Y A z x X Y A z < n z X Y m < x X Y A z z X Y x X Y A z < n
118 22 adantr φ m Z W n Z W x X Y A : X Y Z W
119 118 ffvelrnda φ m Z W n Z W z X Y x X Y A z Z W
120 13 119 sselid φ m Z W n Z W z X Y x X Y A z
121 120 3biant1d φ m Z W n Z W z X Y m < x X Y A z x X Y A z < n x X Y A z m < x X Y A z x X Y A z < n
122 simplrl φ m Z W n Z W z X Y m Z W
123 20 122 sselid φ m Z W n Z W z X Y m *
124 simplrr φ m Z W n Z W z X Y n Z W
125 20 124 sselid φ m Z W n Z W z X Y n *
126 elioo2 m * n * x X Y A z m n x X Y A z m < x X Y A z x X Y A z < n
127 123 125 126 syl2anc φ m Z W n Z W z X Y x X Y A z m n x X Y A z m < x X Y A z x X Y A z < n
128 121 127 bitr4d φ m Z W n Z W z X Y m < x X Y A z x X Y A z < n x X Y A z m n
129 128 ralbidva φ m Z W n Z W z X Y m < x X Y A z x X Y A z < n z X Y x X Y A z m n
130 nffvmpt1 _ x x X Y A z
131 130 nfel1 x x X Y A z m n
132 nfv z x X Y A x m n
133 fveq2 z = x x X Y A z = x X Y A x
134 133 eleq1d z = x x X Y A z m n x X Y A x m n
135 131 132 134 cbvralw z X Y x X Y A z m n x X Y x X Y A x m n
136 simpr φ x X Y x X Y
137 22 fvmptelrn φ x X Y A Z W
138 eqid x X Y A = x X Y A
139 138 fvmpt2 x X Y A Z W x X Y A x = A
140 136 137 139 syl2anc φ x X Y x X Y A x = A
141 140 eleq1d φ x X Y x X Y A x m n A m n
142 141 ralbidva φ x X Y x X Y A x m n x X Y A m n
143 135 142 syl5bb φ z X Y x X Y A z m n x X Y A m n
144 143 adantr φ m Z W n Z W z X Y x X Y A z m n x X Y A m n
145 1 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n X
146 2 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n Y
147 3 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n X Y
148 4 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n Z *
149 5 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n W *
150 nfcv _ y A
151 nfcsb1v _ x y / x A
152 csbeq1a x = y A = y / x A
153 150 151 152 cbvmpt x X Y A = y X Y y / x A
154 153 6 eqeltrrid φ y X Y y / x A : X Y cn Z W
155 154 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n y X Y y / x A : X Y cn Z W
156 nfcv _ y B
157 nfcsb1v _ x y / x B
158 csbeq1a x = y B = y / x B
159 156 157 158 cbvmpt x X Y B = y X Y y / x B
160 159 7 eqeltrrid φ y X Y y / x B X Y cn 𝐿 1
161 160 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n y X Y y / x B X Y cn 𝐿 1
162 nfcv _ v C
163 nfcsb1v _ u v / u C
164 csbeq1a u = v C = v / u C
165 162 163 164 cbvmpt u Z W C = v Z W v / u C
166 165 8 eqeltrrid φ v Z W v / u C : Z W cn
167 166 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n v Z W v / u C : Z W cn
168 153 oveq2i dx X Y A d x = dy X Y y / x A d y
169 9 168 159 3eqtr3g φ dy X Y y / x A d y = y X Y y / x B
170 169 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n dy X Y y / x A d y = y X Y y / x B
171 csbeq1 v = y / x A v / u C = y / x A / u C
172 csbeq1 y = X y / x A = X / x A
173 csbeq1 y = Y y / x A = Y / x A
174 simprll φ m Z W n Z W x X Y A m n m Z W
175 simprlr φ m Z W n Z W x X Y A m n n Z W
176 simprr φ m Z W n Z W x X Y A m n x X Y A m n
177 151 nfel1 x y / x A m n
178 152 eleq1d x = y A m n y / x A m n
179 177 178 rspc y X Y x X Y A m n y / x A m n
180 176 179 mpan9 φ m Z W n Z W x X Y A m n y X Y y / x A m n
181 145 146 147 148 149 155 161 167 170 171 172 173 174 175 180 itgsubstlem φ m Z W n Z W x X Y A m n X / x A Y / x A v / u C dv = X Y y / x A / u C y / x B dy
182 164 162 163 cbvditg X / x A Y / x A C du = X / x A Y / x A v / u C dv
183 nfcvd X _ x K
184 183 11 csbiegf X X / x A = K
185 ditgeq1 X / x A = K X / x A Y / x A C du = K Y / x A C du
186 1 184 185 3syl φ X / x A Y / x A C du = K Y / x A C du
187 nfcvd Y _ x L
188 187 12 csbiegf Y Y / x A = L
189 ditgeq2 Y / x A = L K Y / x A C du = K L C du
190 2 188 189 3syl φ K Y / x A C du = K L C du
191 186 190 eqtrd φ X / x A Y / x A C du = K L C du
192 182 191 eqtr3id φ X / x A Y / x A v / u C dv = K L C du
193 192 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n X / x A Y / x A v / u C dv = K L C du
194 152 csbeq1d x = y A / u C = y / x A / u C
195 194 158 oveq12d x = y A / u C B = y / x A / u C y / x B
196 nfcv _ y A / u C B
197 nfcv _ x C
198 151 197 nfcsbw _ x y / x A / u C
199 nfcv _ x ×
200 198 199 157 nfov _ x y / x A / u C y / x B
201 195 196 200 cbvditg X Y A / u C B dx = X Y y / x A / u C y / x B dy
202 ioossicc X Y X Y
203 202 sseli x X Y x X Y
204 203 137 sylan2 φ x X Y A Z W
205 nfcvd A Z W _ u E
206 205 10 csbiegf A Z W A / u C = E
207 204 206 syl φ x X Y A / u C = E
208 207 oveq1d φ x X Y A / u C B = E B
209 208 itgeq2dv φ X Y A / u C B dx = X Y E B dx
210 3 ditgpos φ X Y A / u C B dx = X Y A / u C B dx
211 3 ditgpos φ X Y E B dx = X Y E B dx
212 209 210 211 3eqtr4d φ X Y A / u C B dx = X Y E B dx
213 201 212 eqtr3id φ X Y y / x A / u C y / x B dy = X Y E B dx
214 213 adantr φ m Z W n Z W x X Y A m n X Y y / x A / u C y / x B dy = X Y E B dx
215 181 193 214 3eqtr3d φ m Z W n Z W x X Y A m n K L C du = X Y E B dx
216 215 expr φ m Z W n Z W x X Y A m n K L C du = X Y E B dx
217 144 216 sylbid φ m Z W n Z W z X Y x X Y A z m n K L C du = X Y E B dx
218 129 217 sylbid φ m Z W n Z W z X Y m < x X Y A z x X Y A z < n K L C du = X Y E B dx
219 117 218 syl5bir φ m Z W n Z W z X Y m < x X Y A z z X Y x X Y A z < n K L C du = X Y E B dx
220 219 rexlimdvva φ m Z W n Z W z X Y m < x X Y A z z X Y x X Y A z < n K L C du = X Y E B dx
221 116 220 syl5bi φ n Z W z X Y x X Y A z < n m Z W z X Y m < x X Y A z K L C du = X Y E B dx
222 68 113 221 syl2and φ y X Y z X Y x X Y A z x X Y A y y X Y z X Y x X Y A y x X Y A z K L C du = X Y E B dx
223 18 222 mpd φ K L C du = X Y E B dx