Metamath Proof Explorer


Theorem prmorcht

Description: Relate the primorial (product of the first n primes) to the Chebyshev function. (Contributed by Mario Carneiro, 22-Sep-2014)

Ref Expression
Hypothesis prmorcht.1 โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ๐‘› , 1 ) )
Assertion prmorcht ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( exp โ€˜ ( ฮธ โ€˜ ๐ด ) ) = ( seq 1 ( ยท , ๐น ) โ€˜ ๐ด ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 prmorcht.1 โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ๐‘› , 1 ) )
2 nnre โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
3 chtval โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( ฮธ โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
4 2 3 syl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( ฮธ โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
5 2eluzge1 โŠข 2 โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 )
6 ppisval2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง 2 โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) ) โ†’ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) = ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆฉ โ„™ ) )
7 2 5 6 sylancl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) = ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆฉ โ„™ ) )
8 nnz โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ค )
9 flid โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ค โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) = ๐ด )
10 8 9 syl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) = ๐ด )
11 10 oveq2d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) = ( 1 ... ๐ด ) )
12 11 ineq1d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆฉ โ„™ ) = ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) )
13 7 12 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) = ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) )
14 13 sumeq1d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
15 inss1 โŠข ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) โŠ† ( 1 ... ๐ด )
16 elinel1 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) )
17 elfznn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
18 17 adantl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
19 18 nnrpd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„+ )
20 19 relogcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
21 20 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
22 16 21 sylan2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
23 22 ralrimiva โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
24 fzfi โŠข ( 1 ... ๐ด ) โˆˆ Fin
25 24 olci โŠข ( ( 1 ... ๐ด ) โŠ† ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) โˆจ ( 1 ... ๐ด ) โˆˆ Fin )
26 sumss2 โŠข ( ( ( ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) โŠ† ( 1 ... ๐ด ) โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ( 1 ... ๐ด ) โŠ† ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) โˆจ ( 1 ... ๐ด ) โˆˆ Fin ) ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
27 25 26 mpan2 โŠข ( ( ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) โŠ† ( 1 ... ๐ด ) โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
28 15 23 27 sylancr โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
29 14 28 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( ( 0 [,] ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ( log โ€˜ ๐‘˜ ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
30 4 29 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( ฮธ โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
31 elin โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) โ†” ( ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„™ ) )
32 31 baibr โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ โ†” ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) ) )
33 32 ifbid โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) โ†’ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
34 33 sumeq2i โŠข ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ ( ( 1 ... ๐ด ) โˆฉ โ„™ ) , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 )
35 30 34 eqtr4di โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( ฮธ โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
36 eleq1w โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„™ โ†” ๐‘˜ โˆˆ โ„™ ) )
37 fveq2 โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( log โ€˜ ๐‘› ) = ( log โ€˜ ๐‘˜ ) )
38 36 37 ifbieq1d โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
39 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) )
40 fvex โŠข ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ V
41 0cn โŠข 0 โˆˆ โ„‚
42 41 elexi โŠข 0 โˆˆ V
43 40 42 ifex โŠข if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) โˆˆ V
44 38 39 43 fvmpt โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
45 18 44 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
46 elnnuz โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†” ๐ด โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) )
47 46 biimpi โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ๐ด โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) )
48 ifcl โŠข ( ( ( log โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ โˆง 0 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) โˆˆ โ„‚ )
49 21 41 48 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) โˆˆ โ„‚ )
50 45 47 49 fsumser โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) = ( seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) ) โ€˜ ๐ด ) )
51 35 50 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( ฮธ โ€˜ ๐ด ) = ( seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) ) โ€˜ ๐ด ) )
52 51 fveq2d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( exp โ€˜ ( ฮธ โ€˜ ๐ด ) ) = ( exp โ€˜ ( seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) ) โ€˜ ๐ด ) ) )
53 addcl โŠข ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘˜ + ๐‘ ) โˆˆ โ„‚ )
54 53 adantl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) ) โ†’ ( ๐‘˜ + ๐‘ ) โˆˆ โ„‚ )
55 45 49 eqeltrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
56 efadd โŠข ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐‘˜ + ๐‘ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐‘˜ ) ยท ( exp โ€˜ ๐‘ ) ) )
57 56 adantl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐‘˜ + ๐‘ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐‘˜ ) ยท ( exp โ€˜ ๐‘ ) ) )
58 1nn โŠข 1 โˆˆ โ„•
59 ifcl โŠข ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โˆง 1 โˆˆ โ„• ) โ†’ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) โˆˆ โ„• )
60 18 58 59 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) โˆˆ โ„• )
61 60 nnrpd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) โˆˆ โ„+ )
62 61 reeflogd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( log โ€˜ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) ) ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) )
63 fvif โŠข ( log โ€˜ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , ( log โ€˜ 1 ) )
64 log1 โŠข ( log โ€˜ 1 ) = 0
65 ifeq2 โŠข ( ( log โ€˜ 1 ) = 0 โ†’ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , ( log โ€˜ 1 ) ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 ) )
66 64 65 ax-mp โŠข if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , ( log โ€˜ 1 ) ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 )
67 63 66 eqtri โŠข ( log โ€˜ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘˜ ) , 0 )
68 45 67 eqtr4di โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( log โ€˜ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) ) )
69 68 fveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) ) = ( exp โ€˜ ( log โ€˜ if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) ) ) )
70 id โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ๐‘› = ๐‘˜ )
71 36 70 ifbieq1d โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ๐‘› , 1 ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) )
72 vex โŠข ๐‘˜ โˆˆ V
73 58 elexi โŠข 1 โˆˆ V
74 72 73 ifex โŠข if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) โˆˆ V
75 71 1 74 fvmpt โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) )
76 18 75 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) = if ( ๐‘˜ โˆˆ โ„™ , ๐‘˜ , 1 ) )
77 62 69 76 3eqtr4d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 1 ... ๐ด ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) )
78 54 55 47 57 77 seqhomo โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( exp โ€˜ ( seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( ๐‘› โˆˆ โ„™ , ( log โ€˜ ๐‘› ) , 0 ) ) ) โ€˜ ๐ด ) ) = ( seq 1 ( ยท , ๐น ) โ€˜ ๐ด ) )
79 52 78 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( exp โ€˜ ( ฮธ โ€˜ ๐ด ) ) = ( seq 1 ( ยท , ๐น ) โ€˜ ๐ด ) )