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Theorem dvfsumrlim2

Description: Compare a finite sum to an integral (the integral here is given as a function with a known derivative). The statement here says that if x e. S |-> B is a decreasing function with antiderivative A converging to zero, then the difference between sum_ k e. ( M ... ( |_x ) ) B ( k ) and S. u e. ( M , x ) B ( u ) _d u = A ( x ) converges to a constant limit value, with the remainder term bounded by B ( x ) . (Contributed by Mario Carneiro, 18-May-2016)

Ref Expression
Hypotheses dvfsum.s 𝑆 = ( 𝑇 (,) +∞ )
dvfsum.z 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
dvfsum.m ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
dvfsum.d ( 𝜑𝐷 ∈ ℝ )
dvfsum.md ( 𝜑𝑀 ≤ ( 𝐷 + 1 ) )
dvfsum.t ( 𝜑𝑇 ∈ ℝ )
dvfsum.a ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → 𝐴 ∈ ℝ )
dvfsum.b1 ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → 𝐵𝑉 )
dvfsum.b2 ( ( 𝜑𝑥𝑍 ) → 𝐵 ∈ ℝ )
dvfsum.b3 ( 𝜑 → ( ℝ D ( 𝑥𝑆𝐴 ) ) = ( 𝑥𝑆𝐵 ) )
dvfsum.c ( 𝑥 = 𝑘𝐵 = 𝐶 )
dvfsumrlim.l ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝑆𝑘𝑆 ) ∧ ( 𝐷𝑥𝑥𝑘 ) ) → 𝐶𝐵 )
dvfsumrlim.g 𝐺 = ( 𝑥𝑆 ↦ ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( ⌊ ‘ 𝑥 ) ) 𝐶𝐴 ) )
dvfsumrlim.k ( 𝜑 → ( 𝑥𝑆𝐵 ) ⇝𝑟 0 )
dvfsumrlim2.1 ( 𝜑𝑋𝑆 )
dvfsumrlim2.2 ( 𝜑𝐷𝑋 )
Assertion dvfsumrlim2 ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑋 ) − 𝐿 ) ) ≤ 𝑋 / 𝑥 𝐵 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dvfsum.s 𝑆 = ( 𝑇 (,) +∞ )
2 dvfsum.z 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
3 dvfsum.m ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
4 dvfsum.d ( 𝜑𝐷 ∈ ℝ )
5 dvfsum.md ( 𝜑𝑀 ≤ ( 𝐷 + 1 ) )
6 dvfsum.t ( 𝜑𝑇 ∈ ℝ )
7 dvfsum.a ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → 𝐴 ∈ ℝ )
8 dvfsum.b1 ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → 𝐵𝑉 )
9 dvfsum.b2 ( ( 𝜑𝑥𝑍 ) → 𝐵 ∈ ℝ )
10 dvfsum.b3 ( 𝜑 → ( ℝ D ( 𝑥𝑆𝐴 ) ) = ( 𝑥𝑆𝐵 ) )
11 dvfsum.c ( 𝑥 = 𝑘𝐵 = 𝐶 )
12 dvfsumrlim.l ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝑆𝑘𝑆 ) ∧ ( 𝐷𝑥𝑥𝑘 ) ) → 𝐶𝐵 )
13 dvfsumrlim.g 𝐺 = ( 𝑥𝑆 ↦ ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( ⌊ ‘ 𝑥 ) ) 𝐶𝐴 ) )
14 dvfsumrlim.k ( 𝜑 → ( 𝑥𝑆𝐵 ) ⇝𝑟 0 )
15 dvfsumrlim2.1 ( 𝜑𝑋𝑆 )
16 dvfsumrlim2.2 ( 𝜑𝐷𝑋 )
17 ioossre ( 𝑇 (,) +∞ ) ⊆ ℝ
18 1 17 eqsstri 𝑆 ⊆ ℝ
19 18 15 sseldi ( 𝜑𝑋 ∈ ℝ )
20 19 rexrd ( 𝜑𝑋 ∈ ℝ* )
21 19 renepnfd ( 𝜑𝑋 ≠ +∞ )
22 icopnfsup ( ( 𝑋 ∈ ℝ*𝑋 ≠ +∞ ) → sup ( ( 𝑋 [,) +∞ ) , ℝ* , < ) = +∞ )
23 20 21 22 syl2anc ( 𝜑 → sup ( ( 𝑋 [,) +∞ ) , ℝ* , < ) = +∞ )
24 23 adantr ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → sup ( ( 𝑋 [,) +∞ ) , ℝ* , < ) = +∞ )
25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 dvfsumrlimf ( 𝜑𝐺 : 𝑆 ⟶ ℝ )
26 25 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℝ )
27 15 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑋𝑆 )
28 26 27 ffvelrnd ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( 𝐺𝑋 ) ∈ ℝ )
29 28 recnd ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( 𝐺𝑋 ) ∈ ℂ )
30 6 rexrd ( 𝜑𝑇 ∈ ℝ* )
31 15 1 eleqtrdi ( 𝜑𝑋 ∈ ( 𝑇 (,) +∞ ) )
32 elioopnf ( 𝑇 ∈ ℝ* → ( 𝑋 ∈ ( 𝑇 (,) +∞ ) ↔ ( 𝑋 ∈ ℝ ∧ 𝑇 < 𝑋 ) ) )
33 30 32 syl ( 𝜑 → ( 𝑋 ∈ ( 𝑇 (,) +∞ ) ↔ ( 𝑋 ∈ ℝ ∧ 𝑇 < 𝑋 ) ) )
34 31 33 mpbid ( 𝜑 → ( 𝑋 ∈ ℝ ∧ 𝑇 < 𝑋 ) )
35 34 simprd ( 𝜑𝑇 < 𝑋 )
36 df-ioo (,) = ( 𝑢 ∈ ℝ* , 𝑣 ∈ ℝ* ↦ { 𝑤 ∈ ℝ* ∣ ( 𝑢 < 𝑤𝑤 < 𝑣 ) } )
37 df-ico [,) = ( 𝑢 ∈ ℝ* , 𝑣 ∈ ℝ* ↦ { 𝑤 ∈ ℝ* ∣ ( 𝑢𝑤𝑤 < 𝑣 ) } )
38 xrltletr ( ( 𝑇 ∈ ℝ*𝑋 ∈ ℝ*𝑧 ∈ ℝ* ) → ( ( 𝑇 < 𝑋𝑋𝑧 ) → 𝑇 < 𝑧 ) )
39 36 37 38 ixxss1 ( ( 𝑇 ∈ ℝ*𝑇 < 𝑋 ) → ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ ( 𝑇 (,) +∞ ) )
40 30 35 39 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ ( 𝑇 (,) +∞ ) )
41 40 1 sseqtrrdi ( 𝜑 → ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ 𝑆 )
42 41 adantr ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ 𝑆 )
43 42 sselda ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑦𝑆 )
44 26 43 ffvelrnd ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( 𝐺𝑦 ) ∈ ℝ )
45 44 recnd ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( 𝐺𝑦 ) ∈ ℂ )
46 29 45 subcld ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( ( 𝐺𝑋 ) − ( 𝐺𝑦 ) ) ∈ ℂ )
47 pnfxr +∞ ∈ ℝ*
48 icossre ( ( 𝑋 ∈ ℝ ∧ +∞ ∈ ℝ* ) → ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ ℝ )
49 19 47 48 sylancl ( 𝜑 → ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ ℝ )
50 49 adantr ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ ℝ )
51 rlimf ( 𝐺𝑟 𝐿𝐺 : dom 𝐺 ⟶ ℂ )
52 51 adantl ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → 𝐺 : dom 𝐺 ⟶ ℂ )
53 ovex ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( ⌊ ‘ 𝑥 ) ) 𝐶𝐴 ) ∈ V
54 53 13 dmmpti dom 𝐺 = 𝑆
55 54 feq2i ( 𝐺 : dom 𝐺 ⟶ ℂ ↔ 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ )
56 52 55 sylib ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → 𝐺 : 𝑆 ⟶ ℂ )
57 15 adantr ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → 𝑋𝑆 )
58 56 57 ffvelrnd ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝐺𝑋 ) ∈ ℂ )
59 rlimconst ( ( ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ ℝ ∧ ( 𝐺𝑋 ) ∈ ℂ ) → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↦ ( 𝐺𝑋 ) ) ⇝𝑟 ( 𝐺𝑋 ) )
60 50 58 59 syl2anc ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↦ ( 𝐺𝑋 ) ) ⇝𝑟 ( 𝐺𝑋 ) )
61 56 feqmptd ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → 𝐺 = ( 𝑦𝑆 ↦ ( 𝐺𝑦 ) ) )
62 simpr ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → 𝐺𝑟 𝐿 )
63 61 62 eqbrtrrd ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝑦𝑆 ↦ ( 𝐺𝑦 ) ) ⇝𝑟 𝐿 )
64 42 63 rlimres2 ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↦ ( 𝐺𝑦 ) ) ⇝𝑟 𝐿 )
65 29 45 60 64 rlimsub ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↦ ( ( 𝐺𝑋 ) − ( 𝐺𝑦 ) ) ) ⇝𝑟 ( ( 𝐺𝑋 ) − 𝐿 ) )
66 46 65 rlimabs ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↦ ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑋 ) − ( 𝐺𝑦 ) ) ) ) ⇝𝑟 ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑋 ) − 𝐿 ) ) )
67 18 a1i ( 𝜑𝑆 ⊆ ℝ )
68 67 7 8 10 dvmptrecl ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → 𝐵 ∈ ℝ )
69 68 ralrimiva ( 𝜑 → ∀ 𝑥𝑆 𝐵 ∈ ℝ )
70 nfcsb1v 𝑥 𝑋 / 𝑥 𝐵
71 70 nfel1 𝑥 𝑋 / 𝑥 𝐵 ∈ ℝ
72 csbeq1a ( 𝑥 = 𝑋𝐵 = 𝑋 / 𝑥 𝐵 )
73 72 eleq1d ( 𝑥 = 𝑋 → ( 𝐵 ∈ ℝ ↔ 𝑋 / 𝑥 𝐵 ∈ ℝ ) )
74 71 73 rspc ( 𝑋𝑆 → ( ∀ 𝑥𝑆 𝐵 ∈ ℝ → 𝑋 / 𝑥 𝐵 ∈ ℝ ) )
75 15 69 74 sylc ( 𝜑 𝑋 / 𝑥 𝐵 ∈ ℝ )
76 75 recnd ( 𝜑 𝑋 / 𝑥 𝐵 ∈ ℂ )
77 rlimconst ( ( ( 𝑋 [,) +∞ ) ⊆ ℝ ∧ 𝑋 / 𝑥 𝐵 ∈ ℂ ) → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↦ 𝑋 / 𝑥 𝐵 ) ⇝𝑟 𝑋 / 𝑥 𝐵 )
78 49 76 77 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↦ 𝑋 / 𝑥 𝐵 ) ⇝𝑟 𝑋 / 𝑥 𝐵 )
79 78 adantr ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↦ 𝑋 / 𝑥 𝐵 ) ⇝𝑟 𝑋 / 𝑥 𝐵 )
80 46 abscld ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑋 ) − ( 𝐺𝑦 ) ) ) ∈ ℝ )
81 75 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑋 / 𝑥 𝐵 ∈ ℝ )
82 29 45 abssubd ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑋 ) − ( 𝐺𝑦 ) ) ) = ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑦 ) − ( 𝐺𝑋 ) ) ) )
83 3 adantr ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑀 ∈ ℤ )
84 4 adantr ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝐷 ∈ ℝ )
85 5 adantr ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑀 ≤ ( 𝐷 + 1 ) )
86 6 adantr ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑇 ∈ ℝ )
87 7 adantlr ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) ∧ 𝑥𝑆 ) → 𝐴 ∈ ℝ )
88 8 adantlr ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) ∧ 𝑥𝑆 ) → 𝐵𝑉 )
89 9 adantlr ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) ∧ 𝑥𝑍 ) → 𝐵 ∈ ℝ )
90 10 adantr ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( ℝ D ( 𝑥𝑆𝐴 ) ) = ( 𝑥𝑆𝐵 ) )
91 47 a1i ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → +∞ ∈ ℝ* )
92 3simpa ( ( 𝐷𝑥𝑥𝑘𝑘 ≤ +∞ ) → ( 𝐷𝑥𝑥𝑘 ) )
93 92 12 syl3an3 ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝑆𝑘𝑆 ) ∧ ( 𝐷𝑥𝑥𝑘𝑘 ≤ +∞ ) ) → 𝐶𝐵 )
94 93 3adant1r ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) ∧ ( 𝑥𝑆𝑘𝑆 ) ∧ ( 𝐷𝑥𝑥𝑘𝑘 ≤ +∞ ) ) → 𝐶𝐵 )
95 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 dvfsumrlimge0 ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝑆𝐷𝑥 ) ) → 0 ≤ 𝐵 )
96 95 3adantr3 ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑥𝑆𝐷𝑥𝑥 ≤ +∞ ) ) → 0 ≤ 𝐵 )
97 96 adantlr ( ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) ∧ ( 𝑥𝑆𝐷𝑥𝑥 ≤ +∞ ) ) → 0 ≤ 𝐵 )
98 15 adantr ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑋𝑆 )
99 41 sselda ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑦𝑆 )
100 16 adantr ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝐷𝑋 )
101 elicopnf ( 𝑋 ∈ ℝ → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↔ ( 𝑦 ∈ ℝ ∧ 𝑋𝑦 ) ) )
102 19 101 syl ( 𝜑 → ( 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ↔ ( 𝑦 ∈ ℝ ∧ 𝑋𝑦 ) ) )
103 102 simplbda ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑋𝑦 )
104 102 simprbda ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑦 ∈ ℝ )
105 104 rexrd ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑦 ∈ ℝ* )
106 pnfge ( 𝑦 ∈ ℝ*𝑦 ≤ +∞ )
107 105 106 syl ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → 𝑦 ≤ +∞ )
108 1 2 83 84 85 86 87 88 89 90 11 91 94 13 97 98 99 100 103 107 dvfsumlem4 ( ( 𝜑𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑦 ) − ( 𝐺𝑋 ) ) ) ≤ 𝑋 / 𝑥 𝐵 )
109 108 adantlr ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑦 ) − ( 𝐺𝑋 ) ) ) ≤ 𝑋 / 𝑥 𝐵 )
110 82 109 eqbrtrd ( ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝑋 [,) +∞ ) ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑋 ) − ( 𝐺𝑦 ) ) ) ≤ 𝑋 / 𝑥 𝐵 )
111 24 66 79 80 81 110 rlimle ( ( 𝜑𝐺𝑟 𝐿 ) → ( abs ‘ ( ( 𝐺𝑋 ) − 𝐿 ) ) ≤ 𝑋 / 𝑥 𝐵 )