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Theorem ostth2lem4

Description: Lemma for ostth2 . (Contributed by Mario Carneiro, 10-Sep-2014)

Ref Expression
Hypotheses qrng.q 𝑄 = ( ℂflds ℚ )
qabsabv.a 𝐴 = ( AbsVal ‘ 𝑄 )
padic.j 𝐽 = ( 𝑞 ∈ ℙ ↦ ( 𝑥 ∈ ℚ ↦ if ( 𝑥 = 0 , 0 , ( 𝑞 ↑ - ( 𝑞 pCnt 𝑥 ) ) ) ) )
ostth.k 𝐾 = ( 𝑥 ∈ ℚ ↦ if ( 𝑥 = 0 , 0 , 1 ) )
ostth.1 ( 𝜑𝐹𝐴 )
ostth2.2 ( 𝜑𝑁 ∈ ( ℤ ‘ 2 ) )
ostth2.3 ( 𝜑 → 1 < ( 𝐹𝑁 ) )
ostth2.4 𝑅 = ( ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) / ( log ‘ 𝑁 ) )
ostth2.5 ( 𝜑𝑀 ∈ ( ℤ ‘ 2 ) )
ostth2.6 𝑆 = ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) )
ostth2.7 𝑇 = if ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 , 1 , ( 𝐹𝑀 ) )
ostth2.8 𝑈 = ( ( log ‘ 𝑁 ) / ( log ‘ 𝑀 ) )
Assertion ostth2lem4 ( 𝜑 → ( 1 < ( 𝐹𝑀 ) ∧ 𝑅𝑆 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 qrng.q 𝑄 = ( ℂflds ℚ )
2 qabsabv.a 𝐴 = ( AbsVal ‘ 𝑄 )
3 padic.j 𝐽 = ( 𝑞 ∈ ℙ ↦ ( 𝑥 ∈ ℚ ↦ if ( 𝑥 = 0 , 0 , ( 𝑞 ↑ - ( 𝑞 pCnt 𝑥 ) ) ) ) )
4 ostth.k 𝐾 = ( 𝑥 ∈ ℚ ↦ if ( 𝑥 = 0 , 0 , 1 ) )
5 ostth.1 ( 𝜑𝐹𝐴 )
6 ostth2.2 ( 𝜑𝑁 ∈ ( ℤ ‘ 2 ) )
7 ostth2.3 ( 𝜑 → 1 < ( 𝐹𝑁 ) )
8 ostth2.4 𝑅 = ( ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) / ( log ‘ 𝑁 ) )
9 ostth2.5 ( 𝜑𝑀 ∈ ( ℤ ‘ 2 ) )
10 ostth2.6 𝑆 = ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) )
11 ostth2.7 𝑇 = if ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 , 1 , ( 𝐹𝑀 ) )
12 ostth2.8 𝑈 = ( ( log ‘ 𝑁 ) / ( log ‘ 𝑀 ) )
13 1re 1 ∈ ℝ
14 eluz2b2 ( 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ 2 ) ↔ ( 𝑁 ∈ ℕ ∧ 1 < 𝑁 ) )
15 6 14 sylib ( 𝜑 → ( 𝑁 ∈ ℕ ∧ 1 < 𝑁 ) )
16 15 simpld ( 𝜑𝑁 ∈ ℕ )
17 nnq ( 𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℚ )
18 16 17 syl ( 𝜑𝑁 ∈ ℚ )
19 1 qrngbas ℚ = ( Base ‘ 𝑄 )
20 2 19 abvcl ( ( 𝐹𝐴𝑁 ∈ ℚ ) → ( 𝐹𝑁 ) ∈ ℝ )
21 5 18 20 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝐹𝑁 ) ∈ ℝ )
22 ltnle ( ( 1 ∈ ℝ ∧ ( 𝐹𝑁 ) ∈ ℝ ) → ( 1 < ( 𝐹𝑁 ) ↔ ¬ ( 𝐹𝑁 ) ≤ 1 ) )
23 13 21 22 sylancr ( 𝜑 → ( 1 < ( 𝐹𝑁 ) ↔ ¬ ( 𝐹𝑁 ) ≤ 1 ) )
24 7 23 mpbid ( 𝜑 → ¬ ( 𝐹𝑁 ) ≤ 1 )
25 eluz2b2 ( 𝑀 ∈ ( ℤ ‘ 2 ) ↔ ( 𝑀 ∈ ℕ ∧ 1 < 𝑀 ) )
26 9 25 sylib ( 𝜑 → ( 𝑀 ∈ ℕ ∧ 1 < 𝑀 ) )
27 26 simpld ( 𝜑𝑀 ∈ ℕ )
28 nnq ( 𝑀 ∈ ℕ → 𝑀 ∈ ℚ )
29 27 28 syl ( 𝜑𝑀 ∈ ℚ )
30 2 19 abvcl ( ( 𝐹𝐴𝑀 ∈ ℚ ) → ( 𝐹𝑀 ) ∈ ℝ )
31 5 29 30 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝐹𝑀 ) ∈ ℝ )
32 ifcl ( ( 1 ∈ ℝ ∧ ( 𝐹𝑀 ) ∈ ℝ ) → if ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 , 1 , ( 𝐹𝑀 ) ) ∈ ℝ )
33 13 31 32 sylancr ( 𝜑 → if ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 , 1 , ( 𝐹𝑀 ) ) ∈ ℝ )
34 11 33 eqeltrid ( 𝜑𝑇 ∈ ℝ )
35 0red ( 𝜑 → 0 ∈ ℝ )
36 13 a1i ( 𝜑 → 1 ∈ ℝ )
37 0lt1 0 < 1
38 37 a1i ( 𝜑 → 0 < 1 )
39 max2 ( ( ( 𝐹𝑀 ) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ ) → 1 ≤ if ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 , 1 , ( 𝐹𝑀 ) ) )
40 31 13 39 sylancl ( 𝜑 → 1 ≤ if ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 , 1 , ( 𝐹𝑀 ) ) )
41 40 11 breqtrrdi ( 𝜑 → 1 ≤ 𝑇 )
42 35 36 34 38 41 ltletrd ( 𝜑 → 0 < 𝑇 )
43 34 42 elrpd ( 𝜑𝑇 ∈ ℝ+ )
44 16 nnrpd ( 𝜑𝑁 ∈ ℝ+ )
45 44 relogcld ( 𝜑 → ( log ‘ 𝑁 ) ∈ ℝ )
46 27 nnred ( 𝜑𝑀 ∈ ℝ )
47 26 simprd ( 𝜑 → 1 < 𝑀 )
48 46 47 rplogcld ( 𝜑 → ( log ‘ 𝑀 ) ∈ ℝ+ )
49 45 48 rerpdivcld ( 𝜑 → ( ( log ‘ 𝑁 ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ∈ ℝ )
50 12 49 eqeltrid ( 𝜑𝑈 ∈ ℝ )
51 43 50 rpcxpcld ( 𝜑 → ( 𝑇𝑐 𝑈 ) ∈ ℝ+ )
52 21 51 rerpdivcld ( 𝜑 → ( ( 𝐹𝑁 ) / ( 𝑇𝑐 𝑈 ) ) ∈ ℝ )
53 46 34 remulcld ( 𝜑 → ( 𝑀 · 𝑇 ) ∈ ℝ )
54 peano2re ( 𝑈 ∈ ℝ → ( 𝑈 + 1 ) ∈ ℝ )
55 50 54 syl ( 𝜑 → ( 𝑈 + 1 ) ∈ ℝ )
56 53 55 remulcld ( 𝜑 → ( ( 𝑀 · 𝑇 ) · ( 𝑈 + 1 ) ) ∈ ℝ )
57 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ostth2lem3 ( ( 𝜑𝑛 ∈ ℕ ) → ( ( ( 𝐹𝑁 ) / ( 𝑇𝑐 𝑈 ) ) ↑ 𝑛 ) ≤ ( 𝑛 · ( ( 𝑀 · 𝑇 ) · ( 𝑈 + 1 ) ) ) )
58 52 56 57 ostth2lem1 ( 𝜑 → ( ( 𝐹𝑁 ) / ( 𝑇𝑐 𝑈 ) ) ≤ 1 )
59 21 36 51 ledivmuld ( 𝜑 → ( ( ( 𝐹𝑁 ) / ( 𝑇𝑐 𝑈 ) ) ≤ 1 ↔ ( 𝐹𝑁 ) ≤ ( ( 𝑇𝑐 𝑈 ) · 1 ) ) )
60 58 59 mpbid ( 𝜑 → ( 𝐹𝑁 ) ≤ ( ( 𝑇𝑐 𝑈 ) · 1 ) )
61 51 rpcnd ( 𝜑 → ( 𝑇𝑐 𝑈 ) ∈ ℂ )
62 61 mulid1d ( 𝜑 → ( ( 𝑇𝑐 𝑈 ) · 1 ) = ( 𝑇𝑐 𝑈 ) )
63 60 62 breqtrd ( 𝜑 → ( 𝐹𝑁 ) ≤ ( 𝑇𝑐 𝑈 ) )
64 63 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 ) → ( 𝐹𝑁 ) ≤ ( 𝑇𝑐 𝑈 ) )
65 iftrue ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 → if ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 , 1 , ( 𝐹𝑀 ) ) = 1 )
66 11 65 eqtrid ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 → 𝑇 = 1 )
67 66 oveq1d ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 → ( 𝑇𝑐 𝑈 ) = ( 1 ↑𝑐 𝑈 ) )
68 50 recnd ( 𝜑𝑈 ∈ ℂ )
69 68 1cxpd ( 𝜑 → ( 1 ↑𝑐 𝑈 ) = 1 )
70 67 69 sylan9eqr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 ) → ( 𝑇𝑐 𝑈 ) = 1 )
71 64 70 breqtrd ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 ) → ( 𝐹𝑁 ) ≤ 1 )
72 24 71 mtand ( 𝜑 → ¬ ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 )
73 ltnle ( ( 1 ∈ ℝ ∧ ( 𝐹𝑀 ) ∈ ℝ ) → ( 1 < ( 𝐹𝑀 ) ↔ ¬ ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 ) )
74 13 31 73 sylancr ( 𝜑 → ( 1 < ( 𝐹𝑀 ) ↔ ¬ ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 ) )
75 72 74 mpbird ( 𝜑 → 1 < ( 𝐹𝑀 ) )
76 35 36 21 38 7 lttrd ( 𝜑 → 0 < ( 𝐹𝑁 ) )
77 21 76 elrpd ( 𝜑 → ( 𝐹𝑁 ) ∈ ℝ+ )
78 77 reeflogd ( 𝜑 → ( exp ‘ ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ) = ( 𝐹𝑁 ) )
79 iffalse ( ¬ ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 → if ( ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 , 1 , ( 𝐹𝑀 ) ) = ( 𝐹𝑀 ) )
80 11 79 eqtrid ( ¬ ( 𝐹𝑀 ) ≤ 1 → 𝑇 = ( 𝐹𝑀 ) )
81 72 80 syl ( 𝜑𝑇 = ( 𝐹𝑀 ) )
82 81 oveq1d ( 𝜑 → ( 𝑇𝑐 𝑈 ) = ( ( 𝐹𝑀 ) ↑𝑐 𝑈 ) )
83 31 recnd ( 𝜑 → ( 𝐹𝑀 ) ∈ ℂ )
84 35 36 31 38 75 lttrd ( 𝜑 → 0 < ( 𝐹𝑀 ) )
85 31 84 elrpd ( 𝜑 → ( 𝐹𝑀 ) ∈ ℝ+ )
86 85 rpne0d ( 𝜑 → ( 𝐹𝑀 ) ≠ 0 )
87 83 86 68 cxpefd ( 𝜑 → ( ( 𝐹𝑀 ) ↑𝑐 𝑈 ) = ( exp ‘ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ) )
88 82 87 eqtr2d ( 𝜑 → ( exp ‘ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ) = ( 𝑇𝑐 𝑈 ) )
89 63 78 88 3brtr4d ( 𝜑 → ( exp ‘ ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ) ≤ ( exp ‘ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ) )
90 77 relogcld ( 𝜑 → ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ∈ ℝ )
91 85 relogcld ( 𝜑 → ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ∈ ℝ )
92 50 91 remulcld ( 𝜑 → ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ∈ ℝ )
93 efle ( ( ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ∈ ℝ ∧ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ∈ ℝ ) → ( ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ≤ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ↔ ( exp ‘ ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ) ≤ ( exp ‘ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ) ) )
94 90 92 93 syl2anc ( 𝜑 → ( ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ≤ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ↔ ( exp ‘ ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ) ≤ ( exp ‘ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) ) ) )
95 89 94 mpbird ( 𝜑 → ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ≤ ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) )
96 45 recnd ( 𝜑 → ( log ‘ 𝑁 ) ∈ ℂ )
97 91 recnd ( 𝜑 → ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ∈ ℂ )
98 48 rpcnd ( 𝜑 → ( log ‘ 𝑀 ) ∈ ℂ )
99 48 rpne0d ( 𝜑 → ( log ‘ 𝑀 ) ≠ 0 )
100 96 97 98 99 div12d ( 𝜑 → ( ( log ‘ 𝑁 ) · ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ) = ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) · ( ( log ‘ 𝑁 ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ) )
101 12 oveq2i ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) · 𝑈 ) = ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) · ( ( log ‘ 𝑁 ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) )
102 100 101 eqtr4di ( 𝜑 → ( ( log ‘ 𝑁 ) · ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ) = ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) · 𝑈 ) )
103 97 68 mulcomd ( 𝜑 → ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) · 𝑈 ) = ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) )
104 102 103 eqtrd ( 𝜑 → ( ( log ‘ 𝑁 ) · ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ) = ( 𝑈 · ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) ) )
105 95 104 breqtrrd ( 𝜑 → ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ≤ ( ( log ‘ 𝑁 ) · ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ) )
106 91 48 rerpdivcld ( 𝜑 → ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ∈ ℝ )
107 16 nnred ( 𝜑𝑁 ∈ ℝ )
108 15 simprd ( 𝜑 → 1 < 𝑁 )
109 107 108 rplogcld ( 𝜑 → ( log ‘ 𝑁 ) ∈ ℝ+ )
110 90 106 109 ledivmuld ( 𝜑 → ( ( ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) / ( log ‘ 𝑁 ) ) ≤ ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ↔ ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) ≤ ( ( log ‘ 𝑁 ) · ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) ) ) )
111 105 110 mpbird ( 𝜑 → ( ( log ‘ ( 𝐹𝑁 ) ) / ( log ‘ 𝑁 ) ) ≤ ( ( log ‘ ( 𝐹𝑀 ) ) / ( log ‘ 𝑀 ) ) )
112 111 8 10 3brtr4g ( 𝜑𝑅𝑆 )
113 75 112 jca ( 𝜑 → ( 1 < ( 𝐹𝑀 ) ∧ 𝑅𝑆 ) )