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Theorem chtdif

Description: The difference of the Chebyshev function at two points sums the logarithms of the primes in an interval. (Contributed by Mario Carneiro, 22-Sep-2014)

Ref Expression
Assertion chtdif ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → θ ⁡ N − θ ⁡ M = ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 eluzelre ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → N ∈ ℝ
2 chtval ⊢ N ∈ ℝ → θ ⁡ N = ∑ p ∈ 0 N ∩ ℙ log ⁡ p
3 1 2 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → θ ⁡ N = ∑ p ∈ 0 N ∩ ℙ log ⁡ p
4 eluzel2 ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M ∈ ℤ
5 2z ⊢ 2 ∈ ℤ
6 ifcl ⊢ M ∈ ℤ ∧ 2 ∈ ℤ → if M ≤ 2 M 2 ∈ ℤ
7 4 5 6 sylancl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 ∈ ℤ
8 5 a1i ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → 2 ∈ ℤ
9 4 zred ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M ∈ ℝ
10 2re ⊢ 2 ∈ ℝ
11 min2 ⊢ M ∈ ℝ ∧ 2 ∈ ℝ → if M ≤ 2 M 2 ≤ 2
12 9 10 11 sylancl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 ≤ 2
13 eluz2 ⊢ 2 ∈ ℤ ≥ if M ≤ 2 M 2 ↔ if M ≤ 2 M 2 ∈ ℤ ∧ 2 ∈ ℤ ∧ if M ≤ 2 M 2 ≤ 2
14 7 8 12 13 syl3anbrc ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → 2 ∈ ℤ ≥ if M ≤ 2 M 2
15 ppisval2 ⊢ N ∈ ℝ ∧ 2 ∈ ℤ ≥ if M ≤ 2 M 2 → 0 N ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
16 1 14 15 syl2anc ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → 0 N ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
17 eluzelz ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → N ∈ ℤ
18 flid ⊢ N ∈ ℤ → N = N
19 17 18 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → N = N
20 19 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … N = if M ≤ 2 M 2 … N
21 20 ineq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
22 16 21 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → 0 N ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
23 22 sumeq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → ∑ p ∈ 0 N ∩ ℙ log ⁡ p = ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ log ⁡ p
24 9 ltp1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M < M + 1
25 fzdisj ⊢ M < M + 1 → if M ≤ 2 M 2 … M ∩ M + 1 … N = ∅
26 24 25 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … M ∩ M + 1 … N = ∅
27 26 ineq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … M ∩ M + 1 … N ∩ ℙ = ∅ ∩ ℙ
28 inindir ⊢ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ M + 1 … N ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∩ M + 1 … N ∩ ℙ
29 0in ⊢ ∅ ∩ ℙ = ∅
30 27 28 29 3eqtr3g ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∩ M + 1 … N ∩ ℙ = ∅
31 min1 ⊢ M ∈ ℝ ∧ 2 ∈ ℝ → if M ≤ 2 M 2 ≤ M
32 9 10 31 sylancl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 ≤ M
33 eluz2 ⊢ M ∈ ℤ ≥ if M ≤ 2 M 2 ↔ if M ≤ 2 M 2 ∈ ℤ ∧ M ∈ ℤ ∧ if M ≤ 2 M 2 ≤ M
34 7 4 32 33 syl3anbrc ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M ∈ ℤ ≥ if M ≤ 2 M 2
35 id ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → N ∈ ℤ ≥ M
36 elfzuzb ⊢ M ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ↔ M ∈ ℤ ≥ if M ≤ 2 M 2 ∧ N ∈ ℤ ≥ M
37 34 35 36 sylanbrc ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M ∈ if M ≤ 2 M 2 … N
38 fzsplit ⊢ M ∈ if M ≤ 2 M 2 … N → if M ≤ 2 M 2 … N = if M ≤ 2 M 2 … M ∪ M + 1 … N
39 37 38 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … N = if M ≤ 2 M 2 … M ∪ M + 1 … N
40 39 ineq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … M ∪ M + 1 … N ∩ ℙ
41 indir ⊢ if M ≤ 2 M 2 … M ∪ M + 1 … N ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∪ M + 1 … N ∩ ℙ
42 40 41 eqtrdi ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∪ M + 1 … N ∩ ℙ
43 fzfid ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … N ∈ Fin
44 inss1 ⊢ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ ⊆ if M ≤ 2 M 2 … N
45 ssfi ⊢ if M ≤ 2 M 2 … N ∈ Fin ∧ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ ⊆ if M ≤ 2 M 2 … N → if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ ∈ Fin
46 43 44 45 sylancl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ ∈ Fin
47 simpr ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ → p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
48 47 elin2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ → p ∈ ℙ
49 prmnn ⊢ p ∈ ℙ → p ∈ ℕ
50 48 49 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ → p ∈ ℕ
51 50 nnrpd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ → p ∈ ℝ +
52 51 relogcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ → log ⁡ p ∈ ℝ
53 52 recnd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ → log ⁡ p ∈ ℂ
54 30 42 46 53 fsumsplit ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ log ⁡ p = ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p + ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p
55 23 54 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → ∑ p ∈ 0 N ∩ ℙ log ⁡ p = ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p + ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p
56 3 55 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → θ ⁡ N = ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p + ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p
57 chtval ⊢ M ∈ ℝ → θ ⁡ M = ∑ p ∈ 0 M ∩ ℙ log ⁡ p
58 9 57 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → θ ⁡ M = ∑ p ∈ 0 M ∩ ℙ log ⁡ p
59 ppisval2 ⊢ M ∈ ℝ ∧ 2 ∈ ℤ ≥ if M ≤ 2 M 2 → 0 M ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ
60 9 14 59 syl2anc ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → 0 M ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ
61 flid ⊢ M ∈ ℤ → M = M
62 4 61 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M = M
63 62 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … M = if M ≤ 2 M 2 … M
64 63 ineq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ
65 60 64 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → 0 M ∩ ℙ = if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ
66 65 sumeq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → ∑ p ∈ 0 M ∩ ℙ log ⁡ p = ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p
67 58 66 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → θ ⁡ M = ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p
68 56 67 oveq12d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → θ ⁡ N − θ ⁡ M = ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p + ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p - ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p
69 fzfi ⊢ if M ≤ 2 M 2 … M ∈ Fin
70 inss1 ⊢ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ⊆ if M ≤ 2 M 2 … M
71 ssfi ⊢ if M ≤ 2 M 2 … M ∈ Fin ∧ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ⊆ if M ≤ 2 M 2 … M → if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∈ Fin
72 69 70 71 mp2an ⊢ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∈ Fin
73 72 a1i ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∈ Fin
74 ssun1 ⊢ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ⊆ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∪ M + 1 … N ∩ ℙ
75 74 42 sseqtrrid ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ⊆ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
76 75 sselda ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ → p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
77 76 53 syldan ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ → log ⁡ p ∈ ℂ
78 73 77 fsumcl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p ∈ ℂ
79 fzfi ⊢ M + 1 … N ∈ Fin
80 inss1 ⊢ M + 1 … N ∩ ℙ ⊆ M + 1 … N
81 ssfi ⊢ M + 1 … N ∈ Fin ∧ M + 1 … N ∩ ℙ ⊆ M + 1 … N → M + 1 … N ∩ ℙ ∈ Fin
82 79 80 81 mp2an ⊢ M + 1 … N ∩ ℙ ∈ Fin
83 82 a1i ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M + 1 … N ∩ ℙ ∈ Fin
84 ssun2 ⊢ M + 1 … N ∩ ℙ ⊆ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ ∪ M + 1 … N ∩ ℙ
85 84 42 sseqtrrid ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M + 1 … N ∩ ℙ ⊆ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
86 85 sselda ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ → p ∈ if M ≤ 2 M 2 … N ∩ ℙ
87 86 53 syldan ⊢ N ∈ ℤ ≥ M ∧ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ → log ⁡ p ∈ ℂ
88 83 87 fsumcl ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p ∈ ℂ
89 78 88 pncan2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p + ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p - ∑ p ∈ if M ≤ 2 M 2 … M ∩ ℙ log ⁡ p = ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p
90 68 89 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → θ ⁡ N − θ ⁡ M = ∑ p ∈ M + 1 … N ∩ ℙ log ⁡ p