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Theorem selberg4r

Description: Selberg's symmetry formula, using the residual of the second Chebyshev function. Equation 10.6.11 of Shapiro, p. 430. (Contributed by Mario Carneiro, 30-May-2016)

Ref Expression
Hypothesis pntrval.r R=a+ψaa
Assertion selberg4r x1+∞Rxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnmx𝑂1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 pntrval.r R=a+ψaa
2 elioore x1+∞x
3 2 adantl x1+∞x
4 1rp 1+
5 4 a1i x1+∞1+
6 1red x1+∞1
7 eliooord x1+∞1<xx<+∞
8 7 adantl x1+∞1<xx<+∞
9 8 simpld x1+∞1<x
10 6 3 9 ltled x1+∞1x
11 3 5 10 rpgecld x1+∞x+
12 1 pntrval x+Rx=ψxx
13 11 12 syl x1+∞Rx=ψxx
14 13 oveq1d x1+∞Rxlogx=ψxxlogx
15 chpcl xψx
16 3 15 syl x1+∞ψx
17 16 recnd x1+∞ψx
18 3 recnd x1+∞x
19 11 relogcld x1+∞logx
20 19 recnd x1+∞logx
21 17 18 20 subdird x1+∞ψxxlogx=ψxlogxxlogx
22 14 21 eqtrd x1+∞Rxlogx=ψxlogxxlogx
23 11 ad2antrr x1+∞n1xm1xnx+
24 elfznn n1xn
25 24 adantl x1+∞n1xn
26 25 nnrpd x1+∞n1xn+
27 26 adantr x1+∞n1xm1xnn+
28 23 27 rpdivcld x1+∞n1xm1xnxn+
29 elfznn m1xnm
30 29 adantl x1+∞n1xm1xnm
31 30 nnrpd x1+∞n1xm1xnm+
32 28 31 rpdivcld x1+∞n1xm1xnxnm+
33 1 pntrval xnm+Rxnm=ψxnmxnm
34 32 33 syl x1+∞n1xm1xnRxnm=ψxnmxnm
35 34 oveq2d x1+∞n1xm1xnΛmRxnm=Λmψxnmxnm
36 vmacl mΛm
37 30 36 syl x1+∞n1xm1xnΛm
38 37 recnd x1+∞n1xm1xnΛm
39 3 adantr x1+∞n1xx
40 39 25 nndivred x1+∞n1xxn
41 40 adantr x1+∞n1xm1xnxn
42 41 30 nndivred x1+∞n1xm1xnxnm
43 chpcl xnmψxnm
44 42 43 syl x1+∞n1xm1xnψxnm
45 44 recnd x1+∞n1xm1xnψxnm
46 42 recnd x1+∞n1xm1xnxnm
47 38 45 46 subdid x1+∞n1xm1xnΛmψxnmxnm=ΛmψxnmΛmxnm
48 35 47 eqtrd x1+∞n1xm1xnΛmRxnm=ΛmψxnmΛmxnm
49 48 sumeq2dv x1+∞n1xm=1xnΛmRxnm=m=1xnΛmψxnmΛmxnm
50 fzfid x1+∞n1x1xnFin
51 37 44 remulcld x1+∞n1xm1xnΛmψxnm
52 51 recnd x1+∞n1xm1xnΛmψxnm
53 38 46 mulcld x1+∞n1xm1xnΛmxnm
54 50 52 53 fsumsub x1+∞n1xm=1xnΛmψxnmΛmxnm=m=1xnΛmψxnmm=1xnΛmxnm
55 49 54 eqtrd x1+∞n1xm=1xnΛmRxnm=m=1xnΛmψxnmm=1xnΛmxnm
56 55 oveq2d x1+∞n1xΛnm=1xnΛmRxnm=Λnm=1xnΛmψxnmm=1xnΛmxnm
57 vmacl nΛn
58 25 57 syl x1+∞n1xΛn
59 58 recnd x1+∞n1xΛn
60 50 51 fsumrecl x1+∞n1xm=1xnΛmψxnm
61 60 recnd x1+∞n1xm=1xnΛmψxnm
62 50 53 fsumcl x1+∞n1xm=1xnΛmxnm
63 59 61 62 subdid x1+∞n1xΛnm=1xnΛmψxnmm=1xnΛmxnm=Λnm=1xnΛmψxnmΛnm=1xnΛmxnm
64 56 63 eqtrd x1+∞n1xΛnm=1xnΛmRxnm=Λnm=1xnΛmψxnmΛnm=1xnΛmxnm
65 64 sumeq2dv x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmRxnm=n=1xΛnm=1xnΛmψxnmΛnm=1xnΛmxnm
66 fzfid x1+∞1xFin
67 58 60 remulcld x1+∞n1xΛnm=1xnΛmψxnm
68 67 recnd x1+∞n1xΛnm=1xnΛmψxnm
69 59 62 mulcld x1+∞n1xΛnm=1xnΛmxnm
70 66 68 69 fsumsub x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmψxnmΛnm=1xnΛmxnm=n=1xΛnm=1xnΛmψxnmn=1xΛnm=1xnΛmxnm
71 65 70 eqtrd x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmRxnm=n=1xΛnm=1xnΛmψxnmn=1xΛnm=1xnΛmxnm
72 71 oveq2d x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnm=2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmn=1xΛnm=1xnΛmxnm
73 2re 2
74 73 a1i x1+∞2
75 3 9 rplogcld x1+∞logx+
76 74 75 rerpdivcld x1+∞2logx
77 76 recnd x1+∞2logx
78 66 67 fsumrecl x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmψxnm
79 78 recnd x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmψxnm
80 66 69 fsumcl x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmxnm
81 77 79 80 subdid x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmn=1xΛnm=1xnΛmxnm=2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
82 72 81 eqtrd x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnm=2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
83 22 82 oveq12d x1+∞Rxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnm=ψxlogx-xlogx-2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
84 16 19 remulcld x1+∞ψxlogx
85 84 recnd x1+∞ψxlogx
86 18 20 mulcld x1+∞xlogx
87 76 78 remulcld x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm
88 87 recnd x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm
89 77 80 mulcld x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
90 85 86 88 89 sub4d x1+∞ψxlogx-xlogx-2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm=ψxlogx-2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm-xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
91 83 90 eqtrd x1+∞Rxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnm=ψxlogx-2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm-xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
92 91 oveq1d x1+∞Rxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnmx=ψxlogx-2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm-xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx
93 84 87 resubcld x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm
94 93 recnd x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm
95 3 19 remulcld x1+∞xlogx
96 37 42 remulcld x1+∞n1xm1xnΛmxnm
97 50 96 fsumrecl x1+∞n1xm=1xnΛmxnm
98 58 97 remulcld x1+∞n1xΛnm=1xnΛmxnm
99 66 98 fsumrecl x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmxnm
100 76 99 remulcld x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
101 95 100 resubcld x1+∞xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
102 101 recnd x1+∞xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
103 11 rpne0d x1+∞x0
104 94 102 18 103 divsubdird x1+∞ψxlogx-2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm-xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmxxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx
105 95 recnd x1+∞xlogx
106 99 recnd x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmxnm
107 77 106 mulcld x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnm
108 105 107 18 103 divsubdird x1+∞xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=xlogxx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx
109 20 18 103 divcan3d x1+∞xlogxx=logx
110 77 106 18 103 divassd x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx
111 98 recnd x1+∞n1xΛnm=1xnΛmxnm
112 66 18 111 103 fsumdivc x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmxnmx=n=1xΛnm=1xnΛmxnmx
113 41 recnd x1+∞n1xm1xnxn
114 30 nncnd x1+∞n1xm1xnm
115 30 nnne0d x1+∞n1xm1xnm0
116 113 38 114 115 div12d x1+∞n1xm1xnxnΛmm=Λmxnm
117 18 adantr x1+∞n1xx
118 117 adantr x1+∞n1xm1xnx
119 25 nncnd x1+∞n1xn
120 119 adantr x1+∞n1xm1xnn
121 37 30 nndivred x1+∞n1xm1xnΛmm
122 121 recnd x1+∞n1xm1xnΛmm
123 25 nnne0d x1+∞n1xn0
124 123 adantr x1+∞n1xm1xnn0
125 118 120 122 124 div32d x1+∞n1xm1xnxnΛmm=xΛmmn
126 116 125 eqtr3d x1+∞n1xm1xnΛmxnm=xΛmmn
127 126 oveq1d x1+∞n1xm1xnΛmxnmx=xΛmmnx
128 25 adantr x1+∞n1xm1xnn
129 121 128 nndivred x1+∞n1xm1xnΛmmn
130 129 recnd x1+∞n1xm1xnΛmmn
131 103 adantr x1+∞n1xx0
132 131 adantr x1+∞n1xm1xnx0
133 130 118 132 divcan3d x1+∞n1xm1xnxΛmmnx=Λmmn
134 127 133 eqtrd x1+∞n1xm1xnΛmxnmx=Λmmn
135 134 sumeq2dv x1+∞n1xm=1xnΛmxnmx=m=1xnΛmmn
136 96 recnd x1+∞n1xm1xnΛmxnm
137 50 117 136 131 fsumdivc x1+∞n1xm=1xnΛmxnmx=m=1xnΛmxnmx
138 50 119 122 123 fsumdivc x1+∞n1xm=1xnΛmmn=m=1xnΛmmn
139 135 137 138 3eqtr4d x1+∞n1xm=1xnΛmxnmx=m=1xnΛmmn
140 139 oveq2d x1+∞n1xΛnm=1xnΛmxnmx=Λnm=1xnΛmmn
141 97 recnd x1+∞n1xm=1xnΛmxnm
142 59 141 117 131 divassd x1+∞n1xΛnm=1xnΛmxnmx=Λnm=1xnΛmxnmx
143 50 121 fsumrecl x1+∞n1xm=1xnΛmm
144 143 recnd x1+∞n1xm=1xnΛmm
145 59 119 144 123 div32d x1+∞n1xΛnnm=1xnΛmm=Λnm=1xnΛmmn
146 140 142 145 3eqtr4d x1+∞n1xΛnm=1xnΛmxnmx=Λnnm=1xnΛmm
147 146 sumeq2dv x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmxnmx=n=1xΛnnm=1xnΛmm
148 112 147 eqtrd x1+∞n=1xΛnm=1xnΛmxnmx=n=1xΛnnm=1xnΛmm
149 148 oveq2d x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm
150 110 149 eqtrd x1+∞2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm
151 109 150 oveq12d x1+∞xlogxx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=logx2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm
152 108 151 eqtrd x1+∞xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=logx2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm
153 152 oveq2d x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmxxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmxlogx2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm
154 94 18 103 divcld x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx
155 58 25 nndivred x1+∞n1xΛnn
156 155 143 remulcld x1+∞n1xΛnnm=1xnΛmm
157 66 156 fsumrecl x1+∞n=1xΛnnm=1xnΛmm
158 76 157 remulcld x1+∞2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm
159 158 recnd x1+∞2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm
160 154 20 159 subsub2d x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmxlogx2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm=ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx+2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm-logx
161 153 160 eqtrd x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmxxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx+2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm-logx
162 104 161 eqtrd x1+∞ψxlogx-2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnm-xlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmxnmx=ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx+2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm-logx
163 92 162 eqtrd x1+∞Rxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnmx=ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx+2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm-logx
164 163 mpteq2dva x1+∞Rxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnmx=x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx+2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm-logx
165 93 11 rerpdivcld x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx
166 158 19 resubcld x1+∞2logxn=1xΛnnm=1xnΛmmlogx
167 selberg4 x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx𝑂1
168 167 a1i x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx𝑂1
169 2cnd x1+∞2
170 157 75 rerpdivcld x1+∞n=1xΛnnm=1xnΛmmlogx
171 170 recnd x1+∞n=1xΛnnm=1xnΛmmlogx
172 19 rehalfcld x1+∞logx2
173 172 recnd x1+∞logx2
174 169 171 173 subdid x1+∞2n=1xΛnnm=1xnΛmmlogxlogx2=2n=1xΛnnm=1xnΛmmlogx2logx2
175 157 recnd x1+∞n=1xΛnnm=1xnΛmm
176 75 rpne0d x1+∞logx0
177 169 20 175 176 div32d x1+∞2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm=2n=1xΛnnm=1xnΛmmlogx
178 177 eqcomd x1+∞2n=1xΛnnm=1xnΛmmlogx=2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm
179 2ne0 20
180 179 a1i x1+∞20
181 20 169 180 divcan2d x1+∞2logx2=logx
182 178 181 oveq12d x1+∞2n=1xΛnnm=1xnΛmmlogx2logx2=2logxn=1xΛnnm=1xnΛmmlogx
183 174 182 eqtrd x1+∞2n=1xΛnnm=1xnΛmmlogxlogx2=2logxn=1xΛnnm=1xnΛmmlogx
184 183 mpteq2dva x1+∞2n=1xΛnnm=1xnΛmmlogxlogx2=x1+∞2logxn=1xΛnnm=1xnΛmmlogx
185 170 172 resubcld x1+∞n=1xΛnnm=1xnΛmmlogxlogx2
186 ioossre 1+∞
187 2cnd 2
188 o1const 1+∞2x1+∞2𝑂1
189 186 187 188 sylancr x1+∞2𝑂1
190 2vmadivsum x1+∞n=1xΛnnm=1xnΛmmlogxlogx2𝑂1
191 190 a1i x1+∞n=1xΛnnm=1xnΛmmlogxlogx2𝑂1
192 74 185 189 191 o1mul2 x1+∞2n=1xΛnnm=1xnΛmmlogxlogx2𝑂1
193 184 192 eqeltrrd x1+∞2logxn=1xΛnnm=1xnΛmmlogx𝑂1
194 165 166 168 193 o1add2 x1+∞ψxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmψxnmx+2logxn=1xΛnnm=1xnΛmm-logx𝑂1
195 164 194 eqeltrd x1+∞Rxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnmx𝑂1
196 195 mptru x1+∞Rxlogx2logxn=1xΛnm=1xnΛmRxnmx𝑂1