Metamath Proof Explorer


Theorem dchrvmasumlema

Description: Lemma for dchrvmasum and dchrvmasumif . Apply dchrisum for the function log ( y ) / y , which is decreasing above _e (or above 3, the nearest integer bound). (Contributed by Mario Carneiro, 5-May-2016)

Ref Expression
Hypotheses rpvmasum.z โŠข ๐‘ = ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ )
rpvmasum.l โŠข ๐ฟ = ( โ„คRHom โ€˜ ๐‘ )
rpvmasum.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
rpvmasum.g โŠข ๐บ = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
rpvmasum.d โŠข ๐ท = ( Base โ€˜ ๐บ )
rpvmasum.1 โŠข 1 = ( 0g โ€˜ ๐บ )
dchrisum.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
dchrisum.n1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โ‰  1 )
dchrvmasumlema.f โŠข ๐น = ( ๐‘Ž โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘Ž ) ) ยท ( ( log โ€˜ ๐‘Ž ) / ๐‘Ž ) ) )
Assertion dchrvmasumlema ( ๐œ‘ โ†’ โˆƒ ๐‘ก โˆƒ ๐‘ โˆˆ ( 0 [,) +โˆž ) ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rpvmasum.z โŠข ๐‘ = ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ )
2 rpvmasum.l โŠข ๐ฟ = ( โ„คRHom โ€˜ ๐‘ )
3 rpvmasum.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
4 rpvmasum.g โŠข ๐บ = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
5 rpvmasum.d โŠข ๐ท = ( Base โ€˜ ๐บ )
6 rpvmasum.1 โŠข 1 = ( 0g โ€˜ ๐บ )
7 dchrisum.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
8 dchrisum.n1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โ‰  1 )
9 dchrvmasumlema.f โŠข ๐น = ( ๐‘Ž โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘Ž ) ) ยท ( ( log โ€˜ ๐‘Ž ) / ๐‘Ž ) ) )
10 fveq2 โŠข ( ๐‘› = ๐‘ฅ โ†’ ( log โ€˜ ๐‘› ) = ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) )
11 id โŠข ( ๐‘› = ๐‘ฅ โ†’ ๐‘› = ๐‘ฅ )
12 10 11 oveq12d โŠข ( ๐‘› = ๐‘ฅ โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) = ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) )
13 3nn โŠข 3 โˆˆ โ„•
14 13 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 3 โˆˆ โ„• )
15 relogcl โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†’ ( log โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
16 rerpdivcl โŠข ( ( ( log โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„ โˆง ๐‘› โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
17 15 16 mpancom โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
18 17 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘› โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
19 simp3r โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ )
20 simp2l โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„+ )
21 20 rpred โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„ )
22 ere โŠข e โˆˆ โ„
23 22 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ e โˆˆ โ„ )
24 3re โŠข 3 โˆˆ โ„
25 24 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ 3 โˆˆ โ„ )
26 egt2lt3 โŠข ( 2 < e โˆง e < 3 )
27 26 simpri โŠข e < 3
28 22 24 27 ltleii โŠข e โ‰ค 3
29 28 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ e โ‰ค 3 )
30 simp3l โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ 3 โ‰ค ๐‘› )
31 23 25 21 29 30 letrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ e โ‰ค ๐‘› )
32 simp2r โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ )
33 32 rpred โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„ )
34 23 21 33 31 19 letrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ e โ‰ค ๐‘ฅ )
35 logdivle โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„ โˆง e โ‰ค ๐‘› ) โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„ โˆง e โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ( ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ โ†” ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) โ‰ค ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) )
36 21 31 33 34 35 syl22anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ( ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ โ†” ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) โ‰ค ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) )
37 19 36 mpbid โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โˆง ( 3 โ‰ค ๐‘› โˆง ๐‘› โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) โ‰ค ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) )
38 rpcn โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„‚ )
39 38 cxp1d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†’ ( ๐‘› โ†‘๐‘ 1 ) = ๐‘› )
40 39 oveq2d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘› โ†‘๐‘ 1 ) ) = ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) )
41 40 mpteq2ia โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘› โ†‘๐‘ 1 ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) )
42 1rp โŠข 1 โˆˆ โ„+
43 cxploglim โŠข ( 1 โˆˆ โ„+ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘› โ†‘๐‘ 1 ) ) ) โ‡๐‘Ÿ 0 )
44 42 43 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘› โ†‘๐‘ 1 ) ) ) โ‡๐‘Ÿ 0 )
45 41 44 eqbrtrrid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) โ‡๐‘Ÿ 0 )
46 2fveq3 โŠข ( ๐‘Ž = ๐‘› โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘Ž ) ) = ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) )
47 fveq2 โŠข ( ๐‘Ž = ๐‘› โ†’ ( log โ€˜ ๐‘Ž ) = ( log โ€˜ ๐‘› ) )
48 id โŠข ( ๐‘Ž = ๐‘› โ†’ ๐‘Ž = ๐‘› )
49 47 48 oveq12d โŠข ( ๐‘Ž = ๐‘› โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘Ž ) / ๐‘Ž ) = ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) )
50 46 49 oveq12d โŠข ( ๐‘Ž = ๐‘› โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘Ž ) ) ยท ( ( log โ€˜ ๐‘Ž ) / ๐‘Ž ) ) = ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) ยท ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) )
51 50 cbvmptv โŠข ( ๐‘Ž โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘Ž ) ) ยท ( ( log โ€˜ ๐‘Ž ) / ๐‘Ž ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) ยท ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) )
52 9 51 eqtri โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) ยท ( ( log โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) )
53 1 2 3 4 5 6 7 8 12 14 18 37 45 52 dchrisum โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆƒ ๐‘ก โˆƒ ๐‘ โˆˆ ( 0 [,) +โˆž ) ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) ) ) )
54 2fveq3 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ฆ โ†’ ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) = ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) )
55 54 fvoveq1d โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) = ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) )
56 fveq2 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ฆ โ†’ ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) )
57 id โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ฆ โ†’ ๐‘ฅ = ๐‘ฆ )
58 56 57 oveq12d โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ฆ โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) = ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) )
59 58 oveq2d โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ฆ โ†’ ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) ) = ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) ) )
60 55 59 breq12d โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ฆ โ†’ ( ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) ) โ†” ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) ) ) )
61 60 cbvralvw โŠข ( โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) ) โ†” โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) ) )
62 61 anbi2i โŠข ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) ) ) โ†” ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) ) ) )
63 62 rexbii โŠข ( โˆƒ ๐‘ โˆˆ ( 0 [,) +โˆž ) ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) ) ) โ†” โˆƒ ๐‘ โˆˆ ( 0 [,) +โˆž ) ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) ) ) )
64 63 exbii โŠข ( โˆƒ ๐‘ก โˆƒ ๐‘ โˆˆ ( 0 [,) +โˆž ) ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) / ๐‘ฅ ) ) ) โ†” โˆƒ ๐‘ก โˆƒ ๐‘ โˆˆ ( 0 [,) +โˆž ) ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) ) ) )
65 53 64 sylib โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆƒ ๐‘ก โˆƒ ๐‘ โˆˆ ( 0 [,) +โˆž ) ( seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐‘ก โˆง โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ( 3 [,) +โˆž ) ( abs โ€˜ ( ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ก ) ) โ‰ค ( ๐‘ ยท ( ( log โ€˜ ๐‘ฆ ) / ๐‘ฆ ) ) ) )