Metamath Proof Explorer


Theorem logfac

Description: The logarithm of a factorial can be expressed as a finite sum of logs. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Apr-2015)

Ref Expression
Assertion logfac ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 elnn0 โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†” ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆจ ๐‘ = 0 ) )
2 rpmulcl โŠข ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘› โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ๐‘˜ ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„+ )
3 2 adantl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘˜ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘› โˆˆ โ„+ ) ) โ†’ ( ๐‘˜ ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„+ )
4 fvi โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ V โ†’ ( I โ€˜ ๐‘˜ ) = ๐‘˜ )
5 4 elv โŠข ( I โ€˜ ๐‘˜ ) = ๐‘˜
6 elfznn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
7 6 adantl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
8 7 nnrpd โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„+ )
9 5 8 eqeltrid โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( I โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„+ )
10 elnnuz โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†” ๐‘ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) )
11 10 biimpi โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) )
12 relogmul โŠข ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘› โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( log โ€˜ ( ๐‘˜ ยท ๐‘› ) ) = ( ( log โ€˜ ๐‘˜ ) + ( log โ€˜ ๐‘› ) ) )
13 12 adantl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘˜ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘› โˆˆ โ„+ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ( ๐‘˜ ยท ๐‘› ) ) = ( ( log โ€˜ ๐‘˜ ) + ( log โ€˜ ๐‘› ) ) )
14 5 fveq2i โŠข ( log โ€˜ ( I โ€˜ ๐‘˜ ) ) = ( log โ€˜ ๐‘˜ )
15 14 a1i โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ( I โ€˜ ๐‘˜ ) ) = ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
16 3 9 11 13 15 seqhomo โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ( log โ€˜ ( seq 1 ( ยท , I ) โ€˜ ๐‘ ) ) = ( seq 1 ( + , log ) โ€˜ ๐‘ ) )
17 facnn โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘ ) = ( seq 1 ( ยท , I ) โ€˜ ๐‘ ) )
18 17 fveq2d โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ๐‘ ) ) = ( log โ€˜ ( seq 1 ( ยท , I ) โ€˜ ๐‘ ) ) )
19 eqidd โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
20 relogcl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„+ โ†’ ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
21 8 20 syl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
22 21 recnd โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
23 19 11 22 fsumser โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = ( seq 1 ( + , log ) โ€˜ ๐‘ ) )
24 16 18 23 3eqtr4d โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
25 log1 โŠข ( log โ€˜ 1 ) = 0
26 sum0 โŠข ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โˆ… ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = 0
27 25 26 eqtr4i โŠข ( log โ€˜ 1 ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โˆ… ( log โ€˜ ๐‘˜ )
28 fveq2 โŠข ( ๐‘ = 0 โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘ ) = ( ! โ€˜ 0 ) )
29 fac0 โŠข ( ! โ€˜ 0 ) = 1
30 28 29 eqtrdi โŠข ( ๐‘ = 0 โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘ ) = 1 )
31 30 fveq2d โŠข ( ๐‘ = 0 โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ๐‘ ) ) = ( log โ€˜ 1 ) )
32 oveq2 โŠข ( ๐‘ = 0 โ†’ ( 1 ... ๐‘ ) = ( 1 ... 0 ) )
33 fz10 โŠข ( 1 ... 0 ) = โˆ…
34 32 33 eqtrdi โŠข ( ๐‘ = 0 โ†’ ( 1 ... ๐‘ ) = โˆ… )
35 34 sumeq1d โŠข ( ๐‘ = 0 โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โˆ… ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
36 27 31 35 3eqtr4a โŠข ( ๐‘ = 0 โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
37 24 36 jaoi โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆจ ๐‘ = 0 ) โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
38 1 37 sylbi โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )