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Theorem logdivsum

Description: Asymptotic analysis of sum_ n <_ x , log n / n = ( log x ) ^ 2 / 2 + L + O ( log x / x ) . (Contributed by Mario Carneiro, 18-May-2016)

Ref Expression
Hypothesis logdivsum.1 ⊢ F = y ∈ ℝ + ⟼ ∑ i = 1 y log ⁡ i i − log ⁡ y 2 2
Assertion logdivsum ⊢ F : ℝ + ⟶ ℝ ∧ F ∈ dom ⁡ ⇝ℝ ∧ F ⇝ℝ L ∧ A ∈ ℝ + ∧ e ≤ A → F ⁡ A − L ≤ log ⁡ A A

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 logdivsum.1 ⊢ F = y ∈ ℝ + ⟼ ∑ i = 1 y log ⁡ i i − log ⁡ y 2 2
2 ioorp ⊢ 0 +∞ = ℝ +
3 2 eqcomi ⊢ ℝ + = 0 +∞
4 nnuz ⊢ ℕ = ℤ ≥ 1
5 1zzd ⊢ ⊤ → 1 ∈ ℤ
6 ere ⊢ e ∈ ℝ
7 6 a1i ⊢ ⊤ → e ∈ ℝ
8 0re ⊢ 0 ∈ ℝ
9 epos ⊢ 0 < e
10 8 6 9 ltleii ⊢ 0 ≤ e
11 10 a1i ⊢ ⊤ → 0 ≤ e
12 1re ⊢ 1 ∈ ℝ
13 addge02 ⊢ 1 ∈ ℝ ∧ e ∈ ℝ → 0 ≤ e ↔ 1 ≤ e + 1
14 12 6 13 mp2an ⊢ 0 ≤ e ↔ 1 ≤ e + 1
15 11 14 sylib ⊢ ⊤ → 1 ≤ e + 1
16 8 a1i ⊢ ⊤ → 0 ∈ ℝ
17 relogcl ⊢ y ∈ ℝ + → log ⁡ y ∈ ℝ
18 17 adantl ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → log ⁡ y ∈ ℝ
19 18 resqcld ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → log ⁡ y 2 ∈ ℝ
20 19 rehalfcld ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → log ⁡ y 2 2 ∈ ℝ
21 rerpdivcl ⊢ log ⁡ y ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ + → log ⁡ y y ∈ ℝ
22 17 21 mpancom ⊢ y ∈ ℝ + → log ⁡ y y ∈ ℝ
23 22 adantl ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → log ⁡ y y ∈ ℝ
24 nnrp ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℝ +
25 24 23 sylan2 ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℕ → log ⁡ y y ∈ ℝ
26 reelprrecn ⊢ ℝ ∈ ℝ ℂ
27 26 a1i ⊢ ⊤ → ℝ ∈ ℝ ℂ
28 cnelprrecn ⊢ ℂ ∈ ℝ ℂ
29 28 a1i ⊢ ⊤ → ℂ ∈ ℝ ℂ
30 18 recnd ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → log ⁡ y ∈ ℂ
31 ovexd ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → 1 y ∈ V
32 sqcl ⊢ x ∈ ℂ → x 2 ∈ ℂ
33 32 adantl ⊢ ⊤ ∧ x ∈ ℂ → x 2 ∈ ℂ
34 33 halfcld ⊢ ⊤ ∧ x ∈ ℂ → x 2 2 ∈ ℂ
35 simpr ⊢ ⊤ ∧ x ∈ ℂ → x ∈ ℂ
36 relogf1o ⊢ log ↾ ℝ + : ℝ + ⟶ 1-1 onto ℝ
37 f1of ⊢ log ↾ ℝ + : ℝ + ⟶ 1-1 onto ℝ → log ↾ ℝ + : ℝ + ⟶ ℝ
38 36 37 mp1i ⊢ ⊤ → log ↾ ℝ + : ℝ + ⟶ ℝ
39 38 feqmptd ⊢ ⊤ → log ↾ ℝ + = y ∈ ℝ + ⟼ log ↾ ℝ + ⁡ y
40 fvres ⊢ y ∈ ℝ + → log ↾ ℝ + ⁡ y = log ⁡ y
41 40 mpteq2ia ⊢ y ∈ ℝ + ⟼ log ↾ ℝ + ⁡ y = y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y
42 39 41 eqtrdi ⊢ ⊤ → log ↾ ℝ + = y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y
43 42 oveq2d ⊢ ⊤ → ℝ D log ↾ ℝ + = dy ∈ ℝ + log ⁡ y d ℝ y
44 dvrelog ⊢ ℝ D log ↾ ℝ + = y ∈ ℝ + ⟼ 1 y
45 43 44 eqtr3di ⊢ ⊤ → dy ∈ ℝ + log ⁡ y d ℝ y = y ∈ ℝ + ⟼ 1 y
46 ovexd ⊢ ⊤ ∧ x ∈ ℂ → 2 ⁢ x ∈ V
47 2nn ⊢ 2 ∈ ℕ
48 dvexp ⊢ 2 ∈ ℕ → dx ∈ ℂ x 2 d ℂ x = x ∈ ℂ ⟼ 2 ⁢ x 2 − 1
49 47 48 mp1i ⊢ ⊤ → dx ∈ ℂ x 2 d ℂ x = x ∈ ℂ ⟼ 2 ⁢ x 2 − 1
50 2m1e1 ⊢ 2 − 1 = 1
51 50 oveq2i ⊢ x 2 − 1 = x 1
52 exp1 ⊢ x ∈ ℂ → x 1 = x
53 52 adantl ⊢ ⊤ ∧ x ∈ ℂ → x 1 = x
54 51 53 eqtrid ⊢ ⊤ ∧ x ∈ ℂ → x 2 − 1 = x
55 54 oveq2d ⊢ ⊤ ∧ x ∈ ℂ → 2 ⁢ x 2 − 1 = 2 ⁢ x
56 55 mpteq2dva ⊢ ⊤ → x ∈ ℂ ⟼ 2 ⁢ x 2 − 1 = x ∈ ℂ ⟼ 2 ⁢ x
57 49 56 eqtrd ⊢ ⊤ → dx ∈ ℂ x 2 d ℂ x = x ∈ ℂ ⟼ 2 ⁢ x
58 2cnd ⊢ ⊤ → 2 ∈ ℂ
59 2ne0 ⊢ 2 ≠ 0
60 59 a1i ⊢ ⊤ → 2 ≠ 0
61 29 33 46 57 58 60 dvmptdivc ⊢ ⊤ → dx ∈ ℂ x 2 2 d ℂ x = x ∈ ℂ ⟼ 2 ⁢ x 2
62 2cn ⊢ 2 ∈ ℂ
63 divcan3 ⊢ x ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ ∧ 2 ≠ 0 → 2 ⁢ x 2 = x
64 62 59 63 mp3an23 ⊢ x ∈ ℂ → 2 ⁢ x 2 = x
65 64 adantl ⊢ ⊤ ∧ x ∈ ℂ → 2 ⁢ x 2 = x
66 65 mpteq2dva ⊢ ⊤ → x ∈ ℂ ⟼ 2 ⁢ x 2 = x ∈ ℂ ⟼ x
67 61 66 eqtrd ⊢ ⊤ → dx ∈ ℂ x 2 2 d ℂ x = x ∈ ℂ ⟼ x
68 oveq1 ⊢ x = log ⁡ y → x 2 = log ⁡ y 2
69 68 oveq1d ⊢ x = log ⁡ y → x 2 2 = log ⁡ y 2 2
70 id ⊢ x = log ⁡ y → x = log ⁡ y
71 27 29 30 31 34 35 45 67 69 70 dvmptco ⊢ ⊤ → dy ∈ ℝ + log ⁡ y 2 2 d ℝ y = y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y ⁢ 1 y
72 rpcn ⊢ y ∈ ℝ + → y ∈ ℂ
73 72 adantl ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → y ∈ ℂ
74 rpne0 ⊢ y ∈ ℝ + → y ≠ 0
75 74 adantl ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → y ≠ 0
76 30 73 75 divrecd ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + → log ⁡ y y = log ⁡ y ⁢ 1 y
77 76 mpteq2dva ⊢ ⊤ → y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y y = y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y ⁢ 1 y
78 71 77 eqtr4d ⊢ ⊤ → dy ∈ ℝ + log ⁡ y 2 2 d ℝ y = y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y y
79 fveq2 ⊢ y = i → log ⁡ y = log ⁡ i
80 id ⊢ y = i → y = i
81 79 80 oveq12d ⊢ y = i → log ⁡ y y = log ⁡ i i
82 simp3r ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → y ≤ i
83 simp2l ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → y ∈ ℝ +
84 83 rpred ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → y ∈ ℝ
85 simp3l ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → e ≤ y
86 simp2r ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → i ∈ ℝ +
87 86 rpred ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → i ∈ ℝ
88 6 a1i ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → e ∈ ℝ
89 88 84 87 85 82 letrd ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → e ≤ i
90 logdivle ⊢ y ∈ ℝ ∧ e ≤ y ∧ i ∈ ℝ ∧ e ≤ i → y ≤ i ↔ log ⁡ i i ≤ log ⁡ y y
91 84 85 87 89 90 syl22anc ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → y ≤ i ↔ log ⁡ i i ≤ log ⁡ y y
92 82 91 mpbid ⊢ ⊤ ∧ y ∈ ℝ + ∧ i ∈ ℝ + ∧ e ≤ y ∧ y ≤ i → log ⁡ i i ≤ log ⁡ y y
93 72 cxp1d ⊢ y ∈ ℝ + → y 1 = y
94 93 oveq2d ⊢ y ∈ ℝ + → log ⁡ y y 1 = log ⁡ y y
95 94 mpteq2ia ⊢ y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y y 1 = y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y y
96 1rp ⊢ 1 ∈ ℝ +
97 cxploglim ⊢ 1 ∈ ℝ + → y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y y 1 ⇝ℝ 0
98 96 97 mp1i ⊢ ⊤ → y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y y 1 ⇝ℝ 0
99 95 98 eqbrtrrid ⊢ ⊤ → y ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ y y ⇝ℝ 0
100 fveq2 ⊢ y = A → log ⁡ y = log ⁡ A
101 id ⊢ y = A → y = A
102 100 101 oveq12d ⊢ y = A → log ⁡ y y = log ⁡ A A
103 3 4 5 7 15 16 20 23 25 78 81 92 1 99 102 dvfsumrlim3 ⊢ ⊤ → F : ℝ + ⟶ ℝ ∧ F ∈ dom ⁡ ⇝ℝ ∧ F ⇝ℝ L ∧ A ∈ ℝ + ∧ e ≤ A → F ⁡ A − L ≤ log ⁡ A A
104 103 mptru ⊢ F : ℝ + ⟶ ℝ ∧ F ∈ dom ⁡ ⇝ℝ ∧ F ⇝ℝ L ∧ A ∈ ℝ + ∧ e ≤ A → F ⁡ A − L ≤ log ⁡ A A