Metamath Proof Explorer


Theorem rpvmasum

Description: The sum of the von Mangoldt function over those integers n == A (mod N ) is asymptotic to log x / phi ( x ) + O(1) . Equation 9.4.3 of Shapiro, p. 375. (Contributed by Mario Carneiro, 2-May-2016) (Proof shortened by Mario Carneiro, 26-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.u โŠข ๐‘ˆ = ( Unit โ€˜ ๐‘ )
rpvmasum.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ )
rpvmasum.t โŠข ๐‘‡ = ( โ—ก ๐ฟ โ€œ { ๐ด } )
Assertion rpvmasum ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( ( ฯ• โ€˜ ๐‘ ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆฉ ๐‘‡ ) ( ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) โˆ’ ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) โˆˆ ๐‘‚(1) )

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.u โŠข ๐‘ˆ = ( Unit โ€˜ ๐‘ )
5 rpvmasum.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ )
6 rpvmasum.t โŠข ๐‘‡ = ( โ—ก ๐ฟ โ€œ { ๐ด } )
7 3 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘“ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
8 eqid โŠข ( DChr โ€˜ ๐‘ ) = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
9 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) = ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) )
10 eqid โŠข ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) = ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) )
11 2fveq3 โŠข ( ๐‘š = ๐‘› โ†’ ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) = ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) )
12 id โŠข ( ๐‘š = ๐‘› โ†’ ๐‘š = ๐‘› )
13 11 12 oveq12d โŠข ( ๐‘š = ๐‘› โ†’ ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) / ๐‘› ) )
14 13 cbvsumv โŠข ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = ฮฃ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) / ๐‘› )
15 14 eqeq1i โŠข ( ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 โ†” ฮฃ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) / ๐‘› ) = 0 )
16 15 rabbii โŠข { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } = { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘› ) ) / ๐‘› ) = 0 }
17 simpr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘“ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) โ†’ ๐‘“ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } )
18 1 2 7 8 9 10 16 17 dchrisum0 โŠข ยฌ ( ๐œ‘ โˆง ๐‘“ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } )
19 18 imnani โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ยฌ ๐‘“ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } )
20 19 eq0rdv โŠข ( ๐œ‘ โ†’ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } = โˆ… )
21 20 fveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) = ( โ™ฏ โ€˜ โˆ… ) )
22 hash0 โŠข ( โ™ฏ โ€˜ โˆ… ) = 0
23 21 22 eqtrdi โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) = 0 )
24 23 oveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 1 โˆ’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) ) = ( 1 โˆ’ 0 ) )
25 1m0e1 โŠข ( 1 โˆ’ 0 ) = 1
26 24 25 eqtrdi โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 1 โˆ’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) ) = 1 )
27 26 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( 1 โˆ’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) ) = 1 )
28 27 oveq2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 โˆ’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) ) ) = ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท 1 ) )
29 relogcl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โ†’ ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„ )
30 29 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„ )
31 30 recnd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ )
32 31 mulridd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท 1 ) = ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) )
33 28 32 eqtrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 โˆ’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) ) ) = ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) )
34 33 oveq2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( ( ( ฯ• โ€˜ ๐‘ ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆฉ ๐‘‡ ) ( ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) โˆ’ ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 โˆ’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) ) ) ) = ( ( ( ฯ• โ€˜ ๐‘ ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆฉ ๐‘‡ ) ( ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) โˆ’ ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
35 34 mpteq2dva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( ( ฯ• โ€˜ ๐‘ ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆฉ ๐‘‡ ) ( ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) โˆ’ ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 โˆ’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) ) ) ) ) = ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( ( ฯ• โ€˜ ๐‘ ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆฉ ๐‘‡ ) ( ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) โˆ’ ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) )
36 eqid โŠข { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } = { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 }
37 18 pm2.21i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘“ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) โ†’ ๐ด = ( 1r โ€˜ ๐‘ ) )
38 1 2 3 8 9 10 36 4 5 6 37 rpvmasum2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( ( ฯ• โ€˜ ๐‘ ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆฉ ๐‘‡ ) ( ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) โˆ’ ( ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 โˆ’ ( โ™ฏ โ€˜ { ๐‘ฆ โˆˆ ( ( Base โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) โˆ– { ( 0g โ€˜ ( DChr โ€˜ ๐‘ ) ) } ) โˆฃ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ฆ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘š ) ) / ๐‘š ) = 0 } ) ) ) ) ) โˆˆ ๐‘‚(1) )
39 35 38 eqeltrrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„+ โ†ฆ ( ( ( ฯ• โ€˜ ๐‘ ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( ( 1 ... ( โŒŠ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆฉ ๐‘‡ ) ( ( ฮ› โ€˜ ๐‘› ) / ๐‘› ) ) โˆ’ ( log โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) โˆˆ ๐‘‚(1) )