Metamath Proof Explorer


Theorem harmonic

Description: The harmonic series H diverges. This fact follows from the stronger emcl , which establishes that the harmonic series grows as log n + gamma +o(1), but this uses a more elementary method, attributed to Nicole Oresme (1323-1382). This is Metamath 100 proof #34. (Contributed by Mario Carneiro, 11-Jul-2014)

Ref Expression
Hypotheses harmonic.1 โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( 1 / ๐‘› ) )
harmonic.2 โŠข ๐ป = seq 1 ( + , ๐น )
Assertion harmonic ยฌ ๐ป โˆˆ dom โ‡

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 harmonic.1 โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( 1 / ๐‘› ) )
2 harmonic.2 โŠข ๐ป = seq 1 ( + , ๐น )
3 nn0uz โŠข โ„•0 = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 )
4 0zd โŠข ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โ†’ 0 โˆˆ โ„ค )
5 1ex โŠข 1 โˆˆ V
6 5 fvconst2 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( โ„•0 ร— { 1 } ) โ€˜ ๐‘˜ ) = 1 )
7 6 adantl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( โ„•0 ร— { 1 } ) โ€˜ ๐‘˜ ) = 1 )
8 1red โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 1 โˆˆ โ„ )
9 2 eleq1i โŠข ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โ†” seq 1 ( + , ๐น ) โˆˆ dom โ‡ )
10 9 biimpi โŠข ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โ†’ seq 1 ( + , ๐น ) โˆˆ dom โ‡ )
11 oveq2 โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( 1 / ๐‘› ) = ( 1 / ๐‘˜ ) )
12 ovex โŠข ( 1 / ๐‘˜ ) โˆˆ V
13 11 1 12 fvmpt โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) = ( 1 / ๐‘˜ ) )
14 nnrecre โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 / ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
15 13 14 eqeltrd โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
16 15 adantl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
17 nnrp โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„+ )
18 17 rpreccld โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 / ๐‘˜ ) โˆˆ โ„+ )
19 18 rpge0d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค ( 1 / ๐‘˜ ) )
20 19 13 breqtrrd โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) )
21 20 adantl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ 0 โ‰ค ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) )
22 nnre โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ )
23 22 lep1d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โ‰ค ( ๐‘˜ + 1 ) )
24 nngt0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ 0 < ๐‘˜ )
25 peano2re โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„ โ†’ ( ๐‘˜ + 1 ) โˆˆ โ„ )
26 22 25 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘˜ + 1 ) โˆˆ โ„ )
27 peano2nn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘˜ + 1 ) โˆˆ โ„• )
28 27 nngt0d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ 0 < ( ๐‘˜ + 1 ) )
29 lerec โŠข ( ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„ โˆง 0 < ๐‘˜ ) โˆง ( ( ๐‘˜ + 1 ) โˆˆ โ„ โˆง 0 < ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) โ†’ ( ๐‘˜ โ‰ค ( ๐‘˜ + 1 ) โ†” ( 1 / ( ๐‘˜ + 1 ) ) โ‰ค ( 1 / ๐‘˜ ) ) )
30 22 24 26 28 29 syl22anc โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘˜ โ‰ค ( ๐‘˜ + 1 ) โ†” ( 1 / ( ๐‘˜ + 1 ) ) โ‰ค ( 1 / ๐‘˜ ) ) )
31 23 30 mpbid โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 / ( ๐‘˜ + 1 ) ) โ‰ค ( 1 / ๐‘˜ ) )
32 oveq2 โŠข ( ๐‘› = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( 1 / ๐‘› ) = ( 1 / ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
33 ovex โŠข ( 1 / ( ๐‘˜ + 1 ) ) โˆˆ V
34 32 1 33 fvmpt โŠข ( ( ๐‘˜ + 1 ) โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( 1 / ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
35 27 34 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( 1 / ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
36 31 35 13 3brtr4d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘˜ + 1 ) ) โ‰ค ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) )
37 36 adantl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘˜ + 1 ) ) โ‰ค ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) )
38 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘— โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 2 โ†‘ ๐‘— ) )
39 38 fveq2d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘— โ†’ ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) )
40 38 39 oveq12d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘— โ†’ ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) = ( ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) )
41 fconstmpt โŠข ( โ„•0 ร— { 1 } ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ 1 )
42 2nn โŠข 2 โˆˆ โ„•
43 nnexpcl โŠข ( ( 2 โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• )
44 42 43 mpan โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• )
45 oveq2 โŠข ( ๐‘› = ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โ†’ ( 1 / ๐‘› ) = ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
46 ovex โŠข ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ V
47 45 1 46 fvmpt โŠข ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
48 44 47 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
49 48 oveq2d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) = ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
50 nncn โŠข ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
51 nnne0 โŠข ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰  0 )
52 50 51 recidd โŠข ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• โ†’ ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) = 1 )
53 44 52 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) = 1 )
54 49 53 eqtrd โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) = 1 )
55 54 mpteq2ia โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ 1 )
56 41 55 eqtr4i โŠข ( โ„•0 ร— { 1 } ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
57 ovex โŠข ( ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) โˆˆ V
58 40 56 57 fvmpt โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( โ„•0 ร— { 1 } ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) )
59 58 adantl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( โ„•0 ร— { 1 } ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ยท ( ๐น โ€˜ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) )
60 16 21 37 59 climcnds โŠข ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โ†’ ( seq 1 ( + , ๐น ) โˆˆ dom โ‡ โ†” seq 0 ( + , ( โ„•0 ร— { 1 } ) ) โˆˆ dom โ‡ ) )
61 10 60 mpbid โŠข ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โ†’ seq 0 ( + , ( โ„•0 ร— { 1 } ) ) โˆˆ dom โ‡ )
62 3 4 7 8 61 isumrecl โŠข ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 โˆˆ โ„ )
63 arch โŠข ( ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 โˆˆ โ„ โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„• ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 < ๐‘— )
64 62 63 syl โŠข ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โ†’ โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„• ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 < ๐‘— )
65 fzfid โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( 1 ... ๐‘— ) โˆˆ Fin )
66 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
67 fsumconst โŠข ( ( ( 1 ... ๐‘— ) โˆˆ Fin โˆง 1 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) 1 = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ๐‘— ) ) ยท 1 ) )
68 65 66 67 sylancl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) 1 = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ๐‘— ) ) ยท 1 ) )
69 nnnn0 โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„•0 )
70 69 adantl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„•0 )
71 hashfz1 โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ๐‘— ) ) = ๐‘— )
72 70 71 syl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ๐‘— ) ) = ๐‘— )
73 72 oveq1d โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ( 1 ... ๐‘— ) ) ยท 1 ) = ( ๐‘— ยท 1 ) )
74 nncn โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„‚ )
75 74 adantl โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„‚ )
76 75 mulridd โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘— ยท 1 ) = ๐‘— )
77 68 73 76 3eqtrd โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) 1 = ๐‘— )
78 0zd โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ 0 โˆˆ โ„ค )
79 elfznn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
80 nnnn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
81 79 80 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
82 81 ssriv โŠข ( 1 ... ๐‘— ) โІ โ„•0
83 82 a1i โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( 1 ... ๐‘— ) โІ โ„•0 )
84 6 adantl โŠข ( ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( โ„•0 ร— { 1 } ) โ€˜ ๐‘˜ ) = 1 )
85 1red โŠข ( ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 1 โˆˆ โ„ )
86 0le1 โŠข 0 โ‰ค 1
87 86 a1i โŠข ( ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 0 โ‰ค 1 )
88 61 adantr โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ seq 0 ( + , ( โ„•0 ร— { 1 } ) ) โˆˆ dom โ‡ )
89 3 78 65 83 84 85 87 88 isumless โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) 1 โ‰ค ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 )
90 77 89 eqbrtrrd โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘— โ‰ค ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 )
91 nnre โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„ )
92 lenlt โŠข ( ( ๐‘— โˆˆ โ„ โˆง ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ๐‘— โ‰ค ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 โ†” ยฌ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 < ๐‘— ) )
93 91 62 92 syl2anr โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘— โ‰ค ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 โ†” ยฌ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 < ๐‘— ) )
94 90 93 mpbid โŠข ( ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ยฌ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 < ๐‘— )
95 94 nrexdv โŠข ( ๐ป โˆˆ dom โ‡ โ†’ ยฌ โˆƒ ๐‘— โˆˆ โ„• ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 1 < ๐‘— )
96 64 95 pm2.65i โŠข ยฌ ๐ป โˆˆ dom โ‡