Metamath Proof Explorer


Theorem chpval2

Description: Express the second Chebyshev function directly as a sum over the primes less than A (instead of indirectly through the von Mangoldt function). (Contributed by Mario Carneiro, 8-Apr-2016)

Ref Expression
Assertion chpval2 ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( ฯˆ โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( ( log โ€˜ ๐‘ ) ยท ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 chpval โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( ฯˆ โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) )
2 fveq2 โŠข ( ๐‘› = ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) โ†’ ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) = ( ฮ› โ€˜ ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
3 id โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
4 elfznn โŠข ( ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„• )
5 4 adantl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„• )
6 vmacl โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
7 5 6 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ†’ ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
8 7 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ†’ ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„‚ )
9 simprr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆง ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) = 0 ) ) โ†’ ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) = 0 )
10 2 3 8 9 fsumvma2 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) = ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ( ฮ› โ€˜ ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
11 simpr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) )
12 11 elin2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„™ )
13 elfznn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
14 vmappw โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ฮ› โ€˜ ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( log โ€˜ ๐‘ ) )
15 12 13 14 syl2an โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ) โ†’ ( ฮ› โ€˜ ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( log โ€˜ ๐‘ ) )
16 15 sumeq2dv โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ( ฮ› โ€˜ ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ( log โ€˜ ๐‘ ) )
17 fzfid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) โˆˆ Fin )
18 prmuz2 โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„™ โ†’ ๐‘ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) )
19 eluzelre โŠข ( ๐‘ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ )
20 eluz2gt1 โŠข ( ๐‘ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) โ†’ 1 < ๐‘ )
21 19 20 rplogcld โŠข ( ๐‘ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„+ )
22 12 18 21 3syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„+ )
23 22 rpcnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„‚ )
24 fsumconst โŠข ( ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) โˆˆ Fin โˆง ( log โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ( log โ€˜ ๐‘ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ) ยท ( log โ€˜ ๐‘ ) ) )
25 17 23 24 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ( log โ€˜ ๐‘ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ) ยท ( log โ€˜ ๐‘ ) ) )
26 ppisval โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) = ( ( 2 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆฉ โ„™ ) )
27 inss1 โŠข ( ( 2 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆฉ โ„™ ) โІ ( 2 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) )
28 26 27 eqsstrdi โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) โІ ( 2 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
29 28 sselda โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ ( 2 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
30 elfzuz2 โŠข ( ๐‘ โˆˆ ( 2 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) )
31 29 30 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) )
32 simpl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
33 0red โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ 0 โˆˆ โ„ )
34 2re โŠข 2 โˆˆ โ„
35 34 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ 2 โˆˆ โ„ )
36 2pos โŠข 0 < 2
37 36 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ 0 < 2 )
38 eluzle โŠข ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) โ†’ 2 โ‰ค ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) )
39 2z โŠข 2 โˆˆ โ„ค
40 flge โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง 2 โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( 2 โ‰ค ๐ด โ†” 2 โ‰ค ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
41 39 40 mpan2 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( 2 โ‰ค ๐ด โ†” 2 โ‰ค ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
42 38 41 imbitrrid โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) โ†’ 2 โ‰ค ๐ด ) )
43 42 imp โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ 2 โ‰ค ๐ด )
44 33 35 32 37 43 ltletrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ 0 < ๐ด )
45 32 44 elrpd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
46 31 45 syldan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
47 46 relogcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
48 47 22 rerpdivcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) โˆˆ โ„ )
49 1red โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ 1 โˆˆ โ„ )
50 1lt2 โŠข 1 < 2
51 50 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ 1 < 2 )
52 49 35 32 51 43 ltletrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 ) ) โ†’ 1 < ๐ด )
53 31 52 syldan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ 1 < ๐ด )
54 rplogcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง 1 < ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„+ )
55 53 54 syldan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„+ )
56 55 22 rpdivcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) โˆˆ โ„+ )
57 56 rpge0d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ 0 โ‰ค ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) )
58 flge0nn0 โŠข ( ( ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) โˆˆ โ„•0 )
59 48 57 58 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) โˆˆ โ„•0 )
60 hashfz1 โŠข ( ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) โˆˆ โ„•0 โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ) = ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) )
61 59 60 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ) = ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) )
62 61 oveq1d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ) ยท ( log โ€˜ ๐‘ ) ) = ( ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ยท ( log โ€˜ ๐‘ ) ) )
63 59 nn0cnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) โˆˆ โ„‚ )
64 63 23 mulcomd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ยท ( log โ€˜ ๐‘ ) ) = ( ( log โ€˜ ๐‘ ) ยท ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) )
65 25 62 64 3eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ( log โ€˜ ๐‘ ) = ( ( log โ€˜ ๐‘ ) ยท ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) )
66 16 65 eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ( ฮ› โ€˜ ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ( log โ€˜ ๐‘ ) ยท ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) )
67 66 sumeq2dv โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) ( ฮ› โ€˜ ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( ( log โ€˜ ๐‘ ) ยท ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) )
68 1 10 67 3eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( ฯˆ โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( ( log โ€˜ ๐‘ ) ยท ( โŒŠ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) / ( log โ€˜ ๐‘ ) ) ) ) )