Metamath Proof Explorer


Theorem eflegeo

Description: The exponential function on the reals between 0 and 1 lies below the comparable geometric series sum. (Contributed by Paul Chapman, 11-Sep-2007)

Ref Expression
Hypotheses eflegeo.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
eflegeo.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 0 โ‰ค ๐ด )
eflegeo.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด < 1 )
Assertion eflegeo ( ๐œ‘ โ†’ ( exp โ€˜ ๐ด ) โ‰ค ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 eflegeo.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
2 eflegeo.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 0 โ‰ค ๐ด )
3 eflegeo.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด < 1 )
4 nn0uz โŠข โ„•0 = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 )
5 0zd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 0 โˆˆ โ„ค )
6 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) / ( ! โ€˜ ๐‘› ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) / ( ! โ€˜ ๐‘› ) ) )
7 6 eftval โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) / ( ! โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) )
8 7 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) / ( ! โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) )
9 reeftcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) โˆˆ โ„ )
10 1 9 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) โˆˆ โ„ )
11 oveq2 โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
12 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) )
13 ovex โŠข ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ V
14 11 12 13 fvmpt โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
15 14 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
16 reexpcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
17 1 16 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
18 faccl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• )
19 18 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• )
20 19 nnred โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ )
21 1 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
22 simpr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
23 2 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 0 โ‰ค ๐ด )
24 21 22 23 expge0d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 0 โ‰ค ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
25 19 nnge1d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 1 โ‰ค ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) )
26 17 20 24 25 lemulge12d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰ค ( ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
27 19 nngt0d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 0 < ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) )
28 ledivmul โŠข ( ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ โˆง ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ โˆง ( ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ โˆง 0 < ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) ) โ†’ ( ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) โ‰ค ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โ†” ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰ค ( ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
29 17 17 20 27 28 syl112anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) โ‰ค ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โ†” ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰ค ( ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
30 26 29 mpbird โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) โ‰ค ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
31 1 recnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
32 6 efcllem โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) / ( ! โ€˜ ๐‘› ) ) ) ) โˆˆ dom โ‡ )
33 31 32 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) / ( ! โ€˜ ๐‘› ) ) ) ) โˆˆ dom โ‡ )
34 1 2 absidd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( abs โ€˜ ๐ด ) = ๐ด )
35 34 3 eqbrtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 )
36 31 35 15 geolim โŠข ( ๐œ‘ โ†’ seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) ) โ‡ ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
37 seqex โŠข seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) ) โˆˆ V
38 ovex โŠข ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆˆ V
39 37 38 breldm โŠข ( seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) ) โ‡ ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โ†’ seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) ) โˆˆ dom โ‡ )
40 36 39 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ seq 0 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) ) โˆˆ dom โ‡ )
41 4 5 8 10 15 17 30 33 40 isumle โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) โ‰ค ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
42 efval โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( exp โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) )
43 31 42 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( exp โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) / ( ! โ€˜ ๐‘˜ ) ) )
44 expcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
45 31 44 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
46 4 5 15 45 36 isumclim โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
47 46 eqcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
48 41 43 47 3brtr4d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( exp โ€˜ ๐ด ) โ‰ค ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )