Metamath Proof Explorer


Theorem atantayl3

Description: The Taylor series for arctan ( A ) . (Contributed by Mario Carneiro, 7-Apr-2015)

Ref Expression
Hypothesis atantayl3.1 โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( - 1 โ†‘ ๐‘› ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) )
Assertion atantayl3 ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โ†’ seq 0 ( + , ๐น ) โ‡ ( arctan โ€˜ ๐ด ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 atantayl3.1 โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( - 1 โ†‘ ๐‘› ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) )
2 2nn0 โŠข 2 โˆˆ โ„•0
3 simpr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„•0 )
4 nn0mulcl โŠข ( ( 2 โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 2 ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„•0 )
5 2 3 4 sylancr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 2 ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„•0 )
6 5 nn0cnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 2 ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„‚ )
7 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
8 pncan โŠข ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) = ( 2 ยท ๐‘› ) )
9 6 7 8 sylancl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) = ( 2 ยท ๐‘› ) )
10 9 oveq1d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) = ( ( 2 ยท ๐‘› ) / 2 ) )
11 nn0cn โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„‚ )
12 11 adantl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„‚ )
13 2cnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 2 โˆˆ โ„‚ )
14 2ne0 โŠข 2 โ‰  0
15 14 a1i โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 2 โ‰  0 )
16 12 13 15 divcan3d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 2 ยท ๐‘› ) / 2 ) = ๐‘› )
17 10 16 eqtr2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘› = ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) )
18 17 oveq2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( - 1 โ†‘ ๐‘› ) = ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) )
19 18 oveq1d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( - 1 โ†‘ ๐‘› ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) = ( ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) )
20 19 mpteq2dva โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( - 1 โ†‘ ๐‘› ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) ) )
21 1 20 eqtrid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โ†’ ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) ) )
22 21 seqeq3d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โ†’ seq 0 ( + , ๐น ) = seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) ) ) )
23 eqid โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( 2 โˆฅ ๐‘˜ , 0 , ( ( - 1 โ†‘ ( ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ๐‘˜ ) ) ) ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( 2 โˆฅ ๐‘˜ , 0 , ( ( - 1 โ†‘ ( ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ๐‘˜ ) ) ) )
24 23 atantayl2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โ†’ seq 1 ( + , ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( 2 โˆฅ ๐‘˜ , 0 , ( ( - 1 โ†‘ ( ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ๐‘˜ ) ) ) ) ) โ‡ ( arctan โ€˜ ๐ด ) )
25 neg1cn โŠข - 1 โˆˆ โ„‚
26 expcl โŠข ( ( - 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( - 1 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„‚ )
27 25 3 26 sylancr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( - 1 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„‚ )
28 simpll โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
29 peano2nn0 โŠข ( ( 2 ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆˆ โ„•0 )
30 5 29 syl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆˆ โ„•0 )
31 28 30 expcld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) โˆˆ โ„‚ )
32 nn0p1nn โŠข ( ( 2 ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆˆ โ„• )
33 5 32 syl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆˆ โ„• )
34 33 nncnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆˆ โ„‚ )
35 33 nnne0d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โ‰  0 )
36 31 34 35 divcld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) โˆˆ โ„‚ )
37 27 36 mulcld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( - 1 โ†‘ ๐‘› ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) โˆˆ โ„‚ )
38 19 37 eqeltrrd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) โˆˆ โ„‚ )
39 oveq1 โŠข ( ๐‘˜ = ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) = ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) )
40 39 oveq1d โŠข ( ๐‘˜ = ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โ†’ ( ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) / 2 ) = ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) )
41 40 oveq2d โŠข ( ๐‘˜ = ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โ†’ ( - 1 โ†‘ ( ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) = ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) )
42 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) = ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) )
43 id โŠข ( ๐‘˜ = ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โ†’ ๐‘˜ = ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) )
44 42 43 oveq12d โŠข ( ๐‘˜ = ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ๐‘˜ ) = ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) )
45 41 44 oveq12d โŠข ( ๐‘˜ = ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โ†’ ( ( - 1 โ†‘ ( ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ๐‘˜ ) ) = ( ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) )
46 38 45 iserodd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โ†’ ( seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) ) ) โ‡ ( arctan โ€˜ ๐ด ) โ†” seq 1 ( + , ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ if ( 2 โˆฅ ๐‘˜ , 0 , ( ( - 1 โ†‘ ( ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ๐‘˜ ) ) ) ) ) โ‡ ( arctan โ€˜ ๐ด ) ) )
47 24 46 mpbird โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โ†’ seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( - 1 โ†‘ ( ( ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) ) ) โ‡ ( arctan โ€˜ ๐ด ) )
48 22 47 eqbrtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 ) โ†’ seq 0 ( + , ๐น ) โ‡ ( arctan โ€˜ ๐ด ) )