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Theorem rolle

Description: Rolle's theorem. If F is a real continuous function on [ A , B ] which is differentiable on ( A , B ) , and F ( A ) = F ( B ) , then there is some x e. ( A , B ) such that ( RR _D F )x = 0 . (Contributed by Mario Carneiro, 1-Sep-2014)

Ref Expression
Hypotheses rolle.a φ A
rolle.b φ B
rolle.lt φ A < B
rolle.f φ F : A B cn
rolle.d φ dom F = A B
rolle.e φ F A = F B
Assertion rolle φ x A B F x = 0

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rolle.a φ A
2 rolle.b φ B
3 rolle.lt φ A < B
4 rolle.f φ F : A B cn
5 rolle.d φ dom F = A B
6 rolle.e φ F A = F B
7 1 2 3 ltled φ A B
8 1 2 7 4 evthicc φ u A B y A B F y F u v A B y A B F v F y
9 reeanv u A B v A B y A B F y F u y A B F v F y u A B y A B F y F u v A B y A B F v F y
10 8 9 sylibr φ u A B v A B y A B F y F u y A B F v F y
11 r19.26 y A B F y F u F v F y y A B F y F u y A B F v F y
12 1 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B A
13 2 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B B
14 3 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B A < B
15 4 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B F : A B cn
16 5 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B dom F = A B
17 simpl F y F u F v F y F y F u
18 17 ralimi y A B F y F u F v F y y A B F y F u
19 fveq2 y = t F y = F t
20 19 breq1d y = t F y F u F t F u
21 20 cbvralvw y A B F y F u t A B F t F u
22 18 21 sylib y A B F y F u F v F y t A B F t F u
23 22 ad2antrl φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B t A B F t F u
24 simplrl φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B u A B
25 simprr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B ¬ u A B
26 12 13 14 15 16 23 24 25 rollelem φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B x A B F x = 0
27 26 expr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ u A B x A B F x = 0
28 1 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B A
29 2 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B B
30 3 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B A < B
31 cncff F : A B cn F : A B
32 4 31 syl φ F : A B
33 32 ffvelrnda φ u A B F u
34 33 renegcld φ u A B F u
35 34 fmpttd φ u A B F u : A B
36 ax-resscn
37 ssid
38 cncfss A B cn A B cn
39 36 37 38 mp2an A B cn A B cn
40 39 4 sselid φ F : A B cn
41 eqid u A B F u = u A B F u
42 41 negfcncf F : A B cn u A B F u : A B cn
43 40 42 syl φ u A B F u : A B cn
44 cncffvrn u A B F u : A B cn u A B F u : A B cn u A B F u : A B
45 36 43 44 sylancr φ u A B F u : A B cn u A B F u : A B
46 35 45 mpbird φ u A B F u : A B cn
47 46 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B u A B F u : A B cn
48 36 a1i φ
49 iccssre A B A B
50 1 2 49 syl2anc φ A B
51 fss F : A B F : A B
52 32 36 51 sylancl φ F : A B
53 52 ffvelrnda φ u A B F u
54 53 negcld φ u A B F u
55 eqid TopOpen fld = TopOpen fld
56 55 tgioo2 topGen ran . = TopOpen fld 𝑡
57 iccntr A B int topGen ran . A B = A B
58 1 2 57 syl2anc φ int topGen ran . A B = A B
59 48 50 54 56 55 58 dvmptntr φ du A B F u d u = du A B F u d u
60 reelprrecn
61 60 a1i φ
62 ioossicc A B A B
63 62 sseli u A B u A B
64 63 53 sylan2 φ u A B F u
65 fvexd φ u A B F u V
66 32 feqmptd φ F = u A B F u
67 66 oveq2d φ D F = du A B F u d u
68 dvf F : dom F
69 5 feq2d φ F : dom F F : A B
70 68 69 mpbii φ F : A B
71 70 feqmptd φ D F = u A B F u
72 48 50 53 56 55 58 dvmptntr φ du A B F u d u = du A B F u d u
73 67 71 72 3eqtr3rd φ du A B F u d u = u A B F u
74 61 64 65 73 dvmptneg φ du A B F u d u = u A B F u
75 59 74 eqtrd φ du A B F u d u = u A B F u
76 75 dmeqd φ dom du A B F u d u = dom u A B F u
77 dmmptg u A B F u V dom u A B F u = A B
78 negex F u V
79 78 a1i u A B F u V
80 77 79 mprg dom u A B F u = A B
81 76 80 eqtrdi φ dom du A B F u d u = A B
82 81 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B dom du A B F u d u = A B
83 simpr F y F u F v F y F v F y
84 32 ad2antrr φ u A B v A B y A B F : A B
85 simplrr φ u A B v A B y A B v A B
86 84 85 ffvelrnd φ u A B v A B y A B F v
87 32 adantr φ u A B v A B F : A B
88 87 ffvelrnda φ u A B v A B y A B F y
89 86 88 lenegd φ u A B v A B y A B F v F y F y F v
90 fveq2 u = y F u = F y
91 90 negeqd u = y F u = F y
92 negex F y V
93 91 41 92 fvmpt y A B u A B F u y = F y
94 93 adantl φ u A B v A B y A B u A B F u y = F y
95 fveq2 u = v F u = F v
96 95 negeqd u = v F u = F v
97 negex F v V
98 96 41 97 fvmpt v A B u A B F u v = F v
99 85 98 syl φ u A B v A B y A B u A B F u v = F v
100 94 99 breq12d φ u A B v A B y A B u A B F u y u A B F u v F y F v
101 89 100 bitr4d φ u A B v A B y A B F v F y u A B F u y u A B F u v
102 83 101 syl5ib φ u A B v A B y A B F y F u F v F y u A B F u y u A B F u v
103 102 ralimdva φ u A B v A B y A B F y F u F v F y y A B u A B F u y u A B F u v
104 103 imp φ u A B v A B y A B F y F u F v F y y A B u A B F u y u A B F u v
105 fveq2 y = t u A B F u y = u A B F u t
106 105 breq1d y = t u A B F u y u A B F u v u A B F u t u A B F u v
107 106 cbvralvw y A B u A B F u y u A B F u v t A B u A B F u t u A B F u v
108 104 107 sylib φ u A B v A B y A B F y F u F v F y t A B u A B F u t u A B F u v
109 108 adantrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B t A B u A B F u t u A B F u v
110 simplrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B v A B
111 simprr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B ¬ v A B
112 28 29 30 47 82 109 110 111 rollelem φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B x A B du A B F u d u x = 0
113 75 fveq1d φ du A B F u d u x = u A B F u x
114 fveq2 u = x F u = F x
115 114 negeqd u = x F u = F x
116 eqid u A B F u = u A B F u
117 negex F x V
118 115 116 117 fvmpt x A B u A B F u x = F x
119 113 118 sylan9eq φ x A B du A B F u d u x = F x
120 119 eqeq1d φ x A B du A B F u d u x = 0 F x = 0
121 5 eleq2d φ x dom F x A B
122 121 biimpar φ x A B x dom F
123 68 ffvelrni x dom F F x
124 122 123 syl φ x A B F x
125 124 negeq0d φ x A B F x = 0 F x = 0
126 120 125 bitr4d φ x A B du A B F u d u x = 0 F x = 0
127 126 rexbidva φ x A B du A B F u d u x = 0 x A B F x = 0
128 127 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B x A B du A B F u d u x = 0 x A B F x = 0
129 112 128 mpbid φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B x A B F x = 0
130 129 expr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y ¬ v A B x A B F x = 0
131 vex u V
132 131 elpr u A B u = A u = B
133 fveq2 u = A F u = F A
134 133 a1i φ u = A F u = F A
135 6 eqcomd φ F B = F A
136 fveqeq2 u = B F u = F A F B = F A
137 135 136 syl5ibrcom φ u = B F u = F A
138 134 137 jaod φ u = A u = B F u = F A
139 132 138 syl5bi φ u A B F u = F A
140 eleq1w u = v u A B v A B
141 fveqeq2 u = v F u = F A F v = F A
142 140 141 imbi12d u = v u A B F u = F A v A B F v = F A
143 142 imbi2d u = v φ u A B F u = F A φ v A B F v = F A
144 143 139 chvarvv φ v A B F v = F A
145 139 144 anim12d φ u A B v A B F u = F A F v = F A
146 145 ad2antrr φ u A B v A B y A B F y F u F v F y u A B v A B F u = F A F v = F A
147 1 rexrd φ A *
148 2 rexrd φ B *
149 lbicc2 A * B * A B A A B
150 147 148 7 149 syl3anc φ A A B
151 32 150 ffvelrnd φ F A
152 151 ad2antrr φ u A B v A B y A B F A
153 88 152 letri3d φ u A B v A B y A B F y = F A F y F A F A F y
154 breq2 F u = F A F y F u F y F A
155 breq1 F v = F A F v F y F A F y
156 154 155 bi2anan9 F u = F A F v = F A F y F u F v F y F y F A F A F y
157 156 bibi2d F u = F A F v = F A F y = F A F y F u F v F y F y = F A F y F A F A F y
158 153 157 syl5ibrcom φ u A B v A B y A B F u = F A F v = F A F y = F A F y F u F v F y
159 158 impancom φ u A B v A B F u = F A F v = F A y A B F y = F A F y F u F v F y
160 159 imp φ u A B v A B F u = F A F v = F A y A B F y = F A F y F u F v F y
161 160 ralbidva φ u A B v A B F u = F A F v = F A y A B F y = F A y A B F y F u F v F y
162 32 ffnd φ F Fn A B
163 fnconstg F A A B × F A Fn A B
164 151 163 syl φ A B × F A Fn A B
165 eqfnfv F Fn A B A B × F A Fn A B F = A B × F A y A B F y = A B × F A y
166 162 164 165 syl2anc φ F = A B × F A y A B F y = A B × F A y
167 fvex F A V
168 167 fvconst2 y A B A B × F A y = F A
169 168 eqeq2d y A B F y = A B × F A y F y = F A
170 169 ralbiia y A B F y = A B × F A y y A B F y = F A
171 166 170 bitrdi φ F = A B × F A y A B F y = F A
172 ioon0 A * B * A B A < B
173 147 148 172 syl2anc φ A B A < B
174 3 173 mpbird φ A B
175 fconstmpt A B × F A = u A B F A
176 175 eqeq2i F = A B × F A F = u A B F A
177 176 biimpi F = A B × F A F = u A B F A
178 177 oveq2d F = A B × F A D F = du A B F A d u
179 151 recnd φ F A
180 179 adantr φ u F A
181 0cnd φ u 0
182 61 179 dvmptc φ du F A d u = u 0
183 61 180 181 182 50 56 55 58 dvmptres2 φ du A B F A d u = u A B 0
184 178 183 sylan9eqr φ F = A B × F A D F = u A B 0
185 184 fveq1d φ F = A B × F A F x = u A B 0 x
186 eqidd u = x 0 = 0
187 eqid u A B 0 = u A B 0
188 c0ex 0 V
189 186 187 188 fvmpt x A B u A B 0 x = 0
190 185 189 sylan9eq φ F = A B × F A x A B F x = 0
191 190 ralrimiva φ F = A B × F A x A B F x = 0
192 r19.2z A B x A B F x = 0 x A B F x = 0
193 174 191 192 syl2an2r φ F = A B × F A x A B F x = 0
194 193 ex φ F = A B × F A x A B F x = 0
195 171 194 sylbird φ y A B F y = F A x A B F x = 0
196 195 ad2antrr φ u A B v A B F u = F A F v = F A y A B F y = F A x A B F x = 0
197 161 196 sylbird φ u A B v A B F u = F A F v = F A y A B F y F u F v F y x A B F x = 0
198 197 impancom φ u A B v A B y A B F y F u F v F y F u = F A F v = F A x A B F x = 0
199 146 198 syld φ u A B v A B y A B F y F u F v F y u A B v A B x A B F x = 0
200 27 130 199 ecased φ u A B v A B y A B F y F u F v F y x A B F x = 0
201 200 ex φ u A B v A B y A B F y F u F v F y x A B F x = 0
202 11 201 syl5bir φ u A B v A B y A B F y F u y A B F v F y x A B F x = 0
203 202 rexlimdvva φ u A B v A B y A B F y F u y A B F v F y x A B F x = 0
204 10 203 mpd φ x A B F x = 0