Metamath Proof Explorer


Theorem logtayl2

Description: Power series expression for the logarithm. (Contributed by Mario Carneiro, 31-Mar-2015)

Ref Expression
Hypothesis logtayl2.s ⊢ S = 1 ball ⁡ abs ∘ − 1
Assertion logtayl2 ⊢ A ∈ S → seq 1 + k ∈ ℕ ⟼ − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k ⇝ log ⁡ A

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 logtayl2.s ⊢ S = 1 ball ⁡ abs ∘ − 1
2 nnuz ⊢ ℕ = ℤ ≥ 1
3 1zzd ⊢ A ∈ S → 1 ∈ ℤ
4 neg1cn ⊢ − 1 ∈ ℂ
5 4 a1i ⊢ A ∈ S → − 1 ∈ ℂ
6 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
7 1 eleq2i ⊢ A ∈ S ↔ A ∈ 1 ball ⁡ abs ∘ − 1
8 cnxmet ⊢ abs ∘ − ∈ ∞Met ⁡ ℂ
9 1xr ⊢ 1 ∈ ℝ *
10 elbl ⊢ abs ∘ − ∈ ∞Met ⁡ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℝ * → A ∈ 1 ball ⁡ abs ∘ − 1 ↔ A ∈ ℂ ∧ 1 abs ∘ − A < 1
11 8 6 9 10 mp3an ⊢ A ∈ 1 ball ⁡ abs ∘ − 1 ↔ A ∈ ℂ ∧ 1 abs ∘ − A < 1
12 7 11 bitri ⊢ A ∈ S ↔ A ∈ ℂ ∧ 1 abs ∘ − A < 1
13 12 simplbi ⊢ A ∈ S → A ∈ ℂ
14 subcl ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ A ∈ ℂ → 1 − A ∈ ℂ
15 6 13 14 sylancr ⊢ A ∈ S → 1 − A ∈ ℂ
16 eqid ⊢ abs ∘ − = abs ∘ −
17 16 cnmetdval ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ A ∈ ℂ → 1 abs ∘ − A = 1 − A
18 6 13 17 sylancr ⊢ A ∈ S → 1 abs ∘ − A = 1 − A
19 12 simprbi ⊢ A ∈ S → 1 abs ∘ − A < 1
20 18 19 eqbrtrrd ⊢ A ∈ S → 1 − A < 1
21 logtayl ⊢ 1 − A ∈ ℂ ∧ 1 − A < 1 → seq 1 + k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k ⇝ − log ⁡ 1 − 1 − A
22 15 20 21 syl2anc ⊢ A ∈ S → seq 1 + k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k ⇝ − log ⁡ 1 − 1 − A
23 nncan ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ A ∈ ℂ → 1 − 1 − A = A
24 6 13 23 sylancr ⊢ A ∈ S → 1 − 1 − A = A
25 24 fveq2d ⊢ A ∈ S → log ⁡ 1 − 1 − A = log ⁡ A
26 25 negeqd ⊢ A ∈ S → − log ⁡ 1 − 1 − A = − log ⁡ A
27 22 26 breqtrd ⊢ A ∈ S → seq 1 + k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k ⇝ − log ⁡ A
28 oveq2 ⊢ k = n → 1 − A k = 1 − A n
29 id ⊢ k = n → k = n
30 28 29 oveq12d ⊢ k = n → 1 − A k k = 1 − A n n
31 eqid ⊢ k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k = k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k
32 ovex ⊢ 1 − A n n ∈ V
33 30 31 32 fvmpt ⊢ n ∈ ℕ → k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k ⁡ n = 1 − A n n
34 33 adantl ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k ⁡ n = 1 − A n n
35 nnnn0 ⊢ n ∈ ℕ → n ∈ ℕ 0
36 expcl ⊢ 1 − A ∈ ℂ ∧ n ∈ ℕ 0 → 1 − A n ∈ ℂ
37 15 35 36 syl2an ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → 1 − A n ∈ ℂ
38 nncn ⊢ n ∈ ℕ → n ∈ ℂ
39 38 adantl ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → n ∈ ℂ
40 nnne0 ⊢ n ∈ ℕ → n ≠ 0
41 40 adantl ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → n ≠ 0
42 37 39 41 divcld ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → 1 − A n n ∈ ℂ
43 34 42 eqeltrd ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k ⁡ n ∈ ℂ
44 37 39 41 divnegd ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 − A n n = − 1 − A n n
45 42 mulm1d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → -1 ⁢ 1 − A n n = − 1 − A n n
46 35 adantl ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → n ∈ ℕ 0
47 expcl ⊢ − 1 ∈ ℂ ∧ n ∈ ℕ 0 → − 1 n ∈ ℂ
48 4 46 47 sylancr ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n ∈ ℂ
49 subcl ⊢ A ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ → A − 1 ∈ ℂ
50 13 6 49 sylancl ⊢ A ∈ S → A − 1 ∈ ℂ
51 expcl ⊢ A − 1 ∈ ℂ ∧ n ∈ ℕ 0 → A − 1 n ∈ ℂ
52 50 35 51 syl2an ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → A − 1 n ∈ ℂ
53 48 52 mulneg1d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − − 1 n ⁢ A − 1 n = − − 1 n ⁢ A − 1 n
54 4 a1i ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 ∈ ℂ
55 neg1ne0 ⊢ − 1 ≠ 0
56 55 a1i ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 ≠ 0
57 nnz ⊢ n ∈ ℕ → n ∈ ℤ
58 57 adantl ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → n ∈ ℤ
59 54 56 58 expm1d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n − 1 = − 1 n − 1
60 6 a1i ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ
61 ax-1ne0 ⊢ 1 ≠ 0
62 61 a1i ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → 1 ≠ 0
63 48 60 62 divneg2d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − − 1 n 1 = − 1 n − 1
64 48 div1d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n 1 = − 1 n
65 64 negeqd ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − − 1 n 1 = − − 1 n
66 59 63 65 3eqtr2d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n − 1 = − − 1 n
67 66 oveq1d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n − 1 ⁢ A − 1 n = − − 1 n ⁢ A − 1 n
68 50 mulm1d ⊢ A ∈ S → -1 ⁢ A − 1 = − A − 1
69 negsubdi2 ⊢ A ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ → − A − 1 = 1 − A
70 13 6 69 sylancl ⊢ A ∈ S → − A − 1 = 1 − A
71 68 70 eqtr2d ⊢ A ∈ S → 1 − A = -1 ⁢ A − 1
72 71 oveq1d ⊢ A ∈ S → 1 − A n = -1 ⁢ A − 1 n
73 72 adantr ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → 1 − A n = -1 ⁢ A − 1 n
74 mulexp ⊢ − 1 ∈ ℂ ∧ A − 1 ∈ ℂ ∧ n ∈ ℕ 0 → -1 ⁢ A − 1 n = − 1 n ⁢ A − 1 n
75 4 50 35 74 mp3an3an ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → -1 ⁢ A − 1 n = − 1 n ⁢ A − 1 n
76 73 75 eqtrd ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → 1 − A n = − 1 n ⁢ A − 1 n
77 76 negeqd ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 − A n = − − 1 n ⁢ A − 1 n
78 53 67 77 3eqtr4d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n − 1 ⁢ A − 1 n = − 1 − A n
79 78 oveq1d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n − 1 ⁢ A − 1 n n = − 1 − A n n
80 44 45 79 3eqtr4d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → -1 ⁢ 1 − A n n = − 1 n − 1 ⁢ A − 1 n n
81 nnm1nn0 ⊢ n ∈ ℕ → n − 1 ∈ ℕ 0
82 81 adantl ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → n − 1 ∈ ℕ 0
83 expcl ⊢ − 1 ∈ ℂ ∧ n − 1 ∈ ℕ 0 → − 1 n − 1 ∈ ℂ
84 4 82 83 sylancr ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n − 1 ∈ ℂ
85 84 52 39 41 div23d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n − 1 ⁢ A − 1 n n = − 1 n − 1 n ⁢ A − 1 n
86 80 85 eqtr2d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → − 1 n − 1 n ⁢ A − 1 n = -1 ⁢ 1 − A n n
87 oveq1 ⊢ k = n → k − 1 = n − 1
88 87 oveq2d ⊢ k = n → − 1 k − 1 = − 1 n − 1
89 88 29 oveq12d ⊢ k = n → − 1 k − 1 k = − 1 n − 1 n
90 oveq2 ⊢ k = n → A − 1 k = A − 1 n
91 89 90 oveq12d ⊢ k = n → − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k = − 1 n − 1 n ⁢ A − 1 n
92 eqid ⊢ k ∈ ℕ ⟼ − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k = k ∈ ℕ ⟼ − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k
93 ovex ⊢ − 1 n − 1 n ⁢ A − 1 n ∈ V
94 91 92 93 fvmpt ⊢ n ∈ ℕ → k ∈ ℕ ⟼ − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k ⁡ n = − 1 n − 1 n ⁢ A − 1 n
95 94 adantl ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → k ∈ ℕ ⟼ − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k ⁡ n = − 1 n − 1 n ⁢ A − 1 n
96 34 oveq2d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → -1 ⁢ k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k ⁡ n = -1 ⁢ 1 − A n n
97 86 95 96 3eqtr4d ⊢ A ∈ S ∧ n ∈ ℕ → k ∈ ℕ ⟼ − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k ⁡ n = -1 ⁢ k ∈ ℕ ⟼ 1 − A k k ⁡ n
98 2 3 5 27 43 97 isermulc2 ⊢ A ∈ S → seq 1 + k ∈ ℕ ⟼ − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k ⇝ -1 ⁢ − log ⁡ A
99 1 dvlog2lem ⊢ S ⊆ ℂ ∖ −∞ 0
100 99 sseli ⊢ A ∈ S → A ∈ ℂ ∖ −∞ 0
101 eqid ⊢ ℂ ∖ −∞ 0 = ℂ ∖ −∞ 0
102 101 logdmn0 ⊢ A ∈ ℂ ∖ −∞ 0 → A ≠ 0
103 100 102 syl ⊢ A ∈ S → A ≠ 0
104 13 103 logcld ⊢ A ∈ S → log ⁡ A ∈ ℂ
105 104 negcld ⊢ A ∈ S → − log ⁡ A ∈ ℂ
106 105 mulm1d ⊢ A ∈ S → -1 ⁢ − log ⁡ A = − − log ⁡ A
107 104 negnegd ⊢ A ∈ S → − − log ⁡ A = log ⁡ A
108 106 107 eqtrd ⊢ A ∈ S → -1 ⁢ − log ⁡ A = log ⁡ A
109 98 108 breqtrd ⊢ A ∈ S → seq 1 + k ∈ ℕ ⟼ − 1 k − 1 k ⁢ A − 1 k ⇝ log ⁡ A