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Theorem chtppilim

Description: The theta function is asymptotic to ppi ( x ) log ( x ) , so it is sufficient to prove theta ( x ) / x ~>r 1 to establish the PNT. (Contributed by Mario Carneiro, 22-Sep-2014)

Ref Expression
Assertion chtppilim ⊢ x ∈ 2 +∞ ⟼ θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ⇝ℝ 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 halfre ⊢ 1 2 ∈ ℝ
2 1re ⊢ 1 ∈ ℝ
3 rpre ⊢ y ∈ ℝ + → y ∈ ℝ
4 resubcl ⊢ 1 ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ → 1 − y ∈ ℝ
5 2 3 4 sylancr ⊢ y ∈ ℝ + → 1 − y ∈ ℝ
6 ifcl ⊢ 1 2 ∈ ℝ ∧ 1 − y ∈ ℝ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∈ ℝ
7 1 5 6 sylancr ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∈ ℝ
8 0red ⊢ y ∈ ℝ + → 0 ∈ ℝ
9 1 a1i ⊢ y ∈ ℝ + → 1 2 ∈ ℝ
10 halfgt0 ⊢ 0 < 1 2
11 10 a1i ⊢ y ∈ ℝ + → 0 < 1 2
12 max2 ⊢ 1 − y ∈ ℝ ∧ 1 2 ∈ ℝ → 1 2 ≤ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y
13 5 1 12 sylancl ⊢ y ∈ ℝ + → 1 2 ≤ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y
14 8 9 7 11 13 ltletrd ⊢ y ∈ ℝ + → 0 < if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y
15 7 14 elrpd ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∈ ℝ +
16 15 rpsqrtcld ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∈ ℝ +
17 halflt1 ⊢ 1 2 < 1
18 ltsubrp ⊢ 1 ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ + → 1 − y < 1
19 2 18 mpan ⊢ y ∈ ℝ + → 1 − y < 1
20 breq1 ⊢ 1 2 = if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y → 1 2 < 1 ↔ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < 1
21 breq1 ⊢ 1 − y = if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y → 1 − y < 1 ↔ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < 1
22 20 21 ifboth ⊢ 1 2 < 1 ∧ 1 − y < 1 → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < 1
23 17 19 22 sylancr ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < 1
24 15 rpge0d ⊢ y ∈ ℝ + → 0 ≤ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y
25 2 a1i ⊢ y ∈ ℝ + → 1 ∈ ℝ
26 0le1 ⊢ 0 ≤ 1
27 26 a1i ⊢ y ∈ ℝ + → 0 ≤ 1
28 7 24 25 27 sqrtltd ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < 1 ↔ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < 1
29 23 28 mpbid ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < 1
30 sqrt1 ⊢ 1 = 1
31 29 30 breqtrdi ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < 1
32 16 31 chtppilimlem2 ⊢ y ∈ ℝ + → ∃ z ∈ ℝ ∀ x ∈ 2 +∞ z ≤ x → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x
33 5 adantr ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → 1 − y ∈ ℝ
34 max1 ⊢ 1 − y ∈ ℝ ∧ 1 2 ∈ ℝ → 1 − y ≤ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y
35 33 1 34 sylancl ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → 1 − y ≤ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y
36 7 adantr ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∈ ℝ
37 2re ⊢ 2 ∈ ℝ
38 elicopnf ⊢ 2 ∈ ℝ → x ∈ 2 +∞ ↔ x ∈ ℝ ∧ 2 ≤ x
39 37 38 ax-mp ⊢ x ∈ 2 +∞ ↔ x ∈ ℝ ∧ 2 ≤ x
40 39 simplbi ⊢ x ∈ 2 +∞ → x ∈ ℝ
41 chtcl ⊢ x ∈ ℝ → θ ⁡ x ∈ ℝ
42 40 41 syl ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x ∈ ℝ
43 ppinncl ⊢ x ∈ ℝ ∧ 2 ≤ x → π _ ⁡ x ∈ ℕ
44 39 43 sylbi ⊢ x ∈ 2 +∞ → π _ ⁡ x ∈ ℕ
45 44 nnrpd ⊢ x ∈ 2 +∞ → π _ ⁡ x ∈ ℝ +
46 2 a1i ⊢ x ∈ 2 +∞ → 1 ∈ ℝ
47 37 a1i ⊢ x ∈ 2 +∞ → 2 ∈ ℝ
48 1lt2 ⊢ 1 < 2
49 48 a1i ⊢ x ∈ 2 +∞ → 1 < 2
50 39 simprbi ⊢ x ∈ 2 +∞ → 2 ≤ x
51 46 47 40 49 50 ltletrd ⊢ x ∈ 2 +∞ → 1 < x
52 40 51 rplogcld ⊢ x ∈ 2 +∞ → log ⁡ x ∈ ℝ +
53 45 52 rpmulcld ⊢ x ∈ 2 +∞ → π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℝ +
54 42 53 rerpdivcld ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℝ
55 54 adantl ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℝ
56 lelttr ⊢ 1 − y ∈ ℝ ∧ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∈ ℝ ∧ θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℝ → 1 − y ≤ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∧ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x → 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
57 33 36 55 56 syl3anc ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → 1 − y ≤ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∧ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x → 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
58 35 57 mpand ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x → 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
59 7 recnd ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∈ ℂ
60 59 sqsqrtd ⊢ y ∈ ℝ + → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 = if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y
61 60 adantr ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 = if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y
62 61 oveq1d ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x = if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
63 62 breq1d ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x ↔ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x
64 42 adantl ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x ∈ ℝ
65 53 rpregt0d ⊢ x ∈ 2 +∞ → π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℝ ∧ 0 < π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
66 65 adantl ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℝ ∧ 0 < π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
67 ltmuldiv ⊢ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ∈ ℝ ∧ θ ⁡ x ∈ ℝ ∧ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℝ ∧ 0 < π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x ↔ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
68 36 64 66 67 syl3anc ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x ↔ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
69 63 68 bitrd ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x ↔ if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
70 0red ⊢ x ∈ 2 +∞ → 0 ∈ ℝ
71 2pos ⊢ 0 < 2
72 71 a1i ⊢ x ∈ 2 +∞ → 0 < 2
73 70 47 40 72 50 ltletrd ⊢ x ∈ 2 +∞ → 0 < x
74 40 73 elrpd ⊢ x ∈ 2 +∞ → x ∈ ℝ +
75 chtleppi ⊢ x ∈ ℝ + → θ ⁡ x ≤ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
76 74 75 syl ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x ≤ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
77 53 rpcnd ⊢ x ∈ 2 +∞ → π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℂ
78 77 mulridd ⊢ x ∈ 2 +∞ → π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ⋅ 1 = π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
79 76 78 breqtrrd ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x ≤ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ⋅ 1
80 42 46 53 ledivmuld ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ≤ 1 ↔ θ ⁡ x ≤ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ⋅ 1
81 79 80 mpbird ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ≤ 1
82 54 46 81 abssuble0d ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 = 1 − θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
83 82 breq1d ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y ↔ 1 − θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < y
84 83 adantl ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y ↔ 1 − θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < y
85 2 a1i ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → 1 ∈ ℝ
86 3 adantr ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → y ∈ ℝ
87 ltsub23 ⊢ 1 ∈ ℝ ∧ θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ → 1 − θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < y ↔ 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
88 85 55 86 87 syl3anc ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → 1 − θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < y ↔ 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
89 84 88 bitrd ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y ↔ 1 − y < θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x
90 58 69 89 3imtr4d ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y
91 90 imim2d ⊢ y ∈ ℝ + ∧ x ∈ 2 +∞ → z ≤ x → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x → z ≤ x → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y
92 91 ralimdva ⊢ y ∈ ℝ + → ∀ x ∈ 2 +∞ z ≤ x → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x → ∀ x ∈ 2 +∞ z ≤ x → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y
93 92 reximdv ⊢ y ∈ ℝ + → ∃ z ∈ ℝ ∀ x ∈ 2 +∞ z ≤ x → if 1 − y ≤ 1 2 1 2 1 − y 2 ⁢ π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x < θ ⁡ x → ∃ z ∈ ℝ ∀ x ∈ 2 +∞ z ≤ x → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y
94 32 93 mpd ⊢ y ∈ ℝ + → ∃ z ∈ ℝ ∀ x ∈ 2 +∞ z ≤ x → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y
95 94 rgen ⊢ ∀ y ∈ ℝ + ∃ z ∈ ℝ ∀ x ∈ 2 +∞ z ≤ x → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y
96 54 recnd ⊢ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℂ
97 96 adantl ⊢ ⊤ ∧ x ∈ 2 +∞ → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℂ
98 97 ralrimiva ⊢ ⊤ → ∀ x ∈ 2 +∞ θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ∈ ℂ
99 40 ssriv ⊢ 2 +∞ ⊆ ℝ
100 99 a1i ⊢ ⊤ → 2 +∞ ⊆ ℝ
101 1cnd ⊢ ⊤ → 1 ∈ ℂ
102 98 100 101 rlim2 ⊢ ⊤ → x ∈ 2 +∞ ⟼ θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ⇝ℝ 1 ↔ ∀ y ∈ ℝ + ∃ z ∈ ℝ ∀ x ∈ 2 +∞ z ≤ x → θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x − 1 < y
103 95 102 mpbiri ⊢ ⊤ → x ∈ 2 +∞ ⟼ θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ⇝ℝ 1
104 103 mptru ⊢ x ∈ 2 +∞ ⟼ θ ⁡ x π _ ⁡ x ⁢ log ⁡ x ⇝ℝ 1