Users' Mathboxes Mathbox for Glauco Siliprandi < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  stirlinglem6 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem stirlinglem6 39629
Description: A series that converges to log (N+1)/N. (Contributed by Glauco Siliprandi, 29-Jun-2017.)
Hypothesis
Ref Expression
stirlinglem6.1 𝐻 = (𝑗 ∈ ℕ0 ↦ (2 · ((1 / ((2 · 𝑗) + 1)) · ((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑((2 · 𝑗) + 1)))))
Assertion
Ref Expression
stirlinglem6 (𝑁 ∈ ℕ → seq0( + , 𝐻) ⇝ (log‘((𝑁 + 1) / 𝑁)))
Distinct variable group:   𝑗,𝑁
Allowed substitution hint:   𝐻(𝑗)

Proof of Theorem stirlinglem6
StepHypRef Expression
1 eqid 2621 . . 3 (𝑗 ∈ ℕ ↦ ((-1↑(𝑗 − 1)) · (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗))) = (𝑗 ∈ ℕ ↦ ((-1↑(𝑗 − 1)) · (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗)))
2 eqid 2621 . . 3 (𝑗 ∈ ℕ ↦ (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗)) = (𝑗 ∈ ℕ ↦ (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗))
3 eqid 2621 . . 3 (𝑗 ∈ ℕ ↦ (((-1↑(𝑗 − 1)) · (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗)) + (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗))) = (𝑗 ∈ ℕ ↦ (((-1↑(𝑗 − 1)) · (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗)) + (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗)))
4 stirlinglem6.1 . . 3 𝐻 = (𝑗 ∈ ℕ0 ↦ (2 · ((1 / ((2 · 𝑗) + 1)) · ((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑((2 · 𝑗) + 1)))))
5 eqid 2621 . . 3 (𝑗 ∈ ℕ0 ↦ ((2 · 𝑗) + 1)) = (𝑗 ∈ ℕ0 ↦ ((2 · 𝑗) + 1))
6 2re 11042 . . . . . . 7 2 ∈ ℝ
76a1i 11 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ)
8 nnre 10979 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℝ)
97, 8remulcld 10022 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ∈ ℝ)
10 0le2 11063 . . . . . . 7 0 ≤ 2
1110a1i 11 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ 2)
12 0red 9993 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 0 ∈ ℝ)
13 nngt0 11001 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < 𝑁)
1412, 8, 13ltled 10137 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ 𝑁)
157, 8, 11, 14mulge0d 10556 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ (2 · 𝑁))
169, 15ge0p1rpd 11854 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 1) ∈ ℝ+)
1716rpreccld 11834 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) ∈ ℝ+)
18 1red 10007 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℝ)
1918renegcld 10409 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → -1 ∈ ℝ)
2017rpred 11824 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) ∈ ℝ)
21 neg1lt0 11079 . . . . . 6 -1 < 0
2221a1i 11 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → -1 < 0)
2317rpgt0d 11827 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))
2419, 12, 20, 22, 23lttrd 10150 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → -1 < (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))
25 1rp 11788 . . . . . 6 1 ∈ ℝ+
2625a1i 11 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℝ+)
27 1cnd 10008 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
2827div1d 10745 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 1) = 1)
29 2rp 11789 . . . . . . . . 9 2 ∈ ℝ+
3029a1i 11 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ+)
31 nnrp 11794 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℝ+)
3230, 31rpmulcld 11840 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ∈ ℝ+)
3318, 32ltaddrp2d 11858 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 1 < ((2 · 𝑁) + 1))
3428, 33eqbrtrd 4640 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 1) < ((2 · 𝑁) + 1))
3526, 16, 34ltrec1d 11844 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) < 1)
3620, 18absltd 14110 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ((abs‘(1 / ((2 · 𝑁) + 1))) < 1 ↔ (-1 < (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) ∧ (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) < 1)))
3724, 35, 36mpbir2and 956 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(1 / ((2 · 𝑁) + 1))) < 1)
381, 2, 3, 4, 5, 17, 37stirlinglem5 39628 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → seq0( + , 𝐻) ⇝ (log‘((1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))))
39 2cnd 11045 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈ ℂ)
40 nncn 10980 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
4139, 40mulcld 10012 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ∈ ℂ)
4241, 27addcld 10011 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 1) ∈ ℂ)
439, 18readdcld 10021 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 1) ∈ ℝ)
44 2pos 11064 . . . . . . . . . . . 12 0 < 2
4544a1i 11 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < 2)
467, 8, 45, 13mulgt0d 10144 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (2 · 𝑁))
479ltp1d 10906 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) < ((2 · 𝑁) + 1))
4812, 9, 43, 46, 47lttrd 10150 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < ((2 · 𝑁) + 1))
4948gt0ne0d 10544 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 1) ≠ 0)
5042, 49dividd 10751 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = 1)
5150eqcomd 2627 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 1 = (((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)))
5251oveq1d 6625 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))
5351oveq1d 6625 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))
5452, 53oveq12d 6628 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ((1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))) = (((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))))
5542, 27, 42, 49divdird 10791 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))
5655eqcomd 2627 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)))
5742, 27, 42, 49divsubdird 10792 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) − 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))
5857eqcomd 2627 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) − 1) / ((2 · 𝑁) + 1)))
5956, 58oveq12d 6628 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))) = (((((2 · 𝑁) + 1) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) / ((((2 · 𝑁) + 1) − 1) / ((2 · 𝑁) + 1))))
6041, 27, 27addassd 10014 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · 𝑁) + 1) + 1) = ((2 · 𝑁) + (1 + 1)))
61 1p1e2 11086 . . . . . . . . . 10 (1 + 1) = 2
6261a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → (1 + 1) = 2)
6362oveq2d 6626 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + (1 + 1)) = ((2 · 𝑁) + 2))
6439mulid1d 10009 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 1) = 2)
6564eqcomd 2627 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → 2 = (2 · 1))
6665oveq2d 6626 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 2) = ((2 · 𝑁) + (2 · 1)))
6739, 40, 27adddid 10016 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · (𝑁 + 1)) = ((2 · 𝑁) + (2 · 1)))
6866, 67eqtr4d 2658 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 2) = (2 · (𝑁 + 1)))
6960, 63, 683eqtrd 2659 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · 𝑁) + 1) + 1) = (2 · (𝑁 + 1)))
7069oveq1d 6625 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = ((2 · (𝑁 + 1)) / ((2 · 𝑁) + 1)))
7141, 27pncand 10345 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · 𝑁) + 1) − 1) = (2 · 𝑁))
7271oveq1d 6625 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) − 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = ((2 · 𝑁) / ((2 · 𝑁) + 1)))
7370, 72oveq12d 6628 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((((2 · 𝑁) + 1) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) / ((((2 · 𝑁) + 1) − 1) / ((2 · 𝑁) + 1))) = (((2 · (𝑁 + 1)) / ((2 · 𝑁) + 1)) / ((2 · 𝑁) / ((2 · 𝑁) + 1))))
7459, 73eqtrd 2655 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))) = (((2 · (𝑁 + 1)) / ((2 · 𝑁) + 1)) / ((2 · 𝑁) / ((2 · 𝑁) + 1))))
7540, 27addcld 10011 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℂ)
7639, 75mulcld 10012 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · (𝑁 + 1)) ∈ ℂ)
7746gt0ne0d 10544 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ≠ 0)
7876, 41, 42, 77, 49divcan7d 10781 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · (𝑁 + 1)) / ((2 · 𝑁) + 1)) / ((2 · 𝑁) / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((2 · (𝑁 + 1)) / (2 · 𝑁)))
7945gt0ne0d 10544 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ≠ 0)
8013gt0ne0d 10544 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ≠ 0)
8139, 39, 75, 40, 79, 80divmuldivd 10794 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2) · ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((2 · (𝑁 + 1)) / (2 · 𝑁)))
8281eqcomd 2627 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · (𝑁 + 1)) / (2 · 𝑁)) = ((2 / 2) · ((𝑁 + 1) / 𝑁)))
8339, 79dividd 10751 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (2 / 2) = 1)
8483oveq1d 6625 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2) · ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = (1 · ((𝑁 + 1) / 𝑁)))
8575, 40, 80divcld 10753 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) / 𝑁) ∈ ℂ)
8685mulid2d 10010 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (1 · ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((𝑁 + 1) / 𝑁))
8784, 86eqtrd 2655 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2) · ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((𝑁 + 1) / 𝑁))
8878, 82, 873eqtrd 2659 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · (𝑁 + 1)) / ((2 · 𝑁) + 1)) / ((2 · 𝑁) / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((𝑁 + 1) / 𝑁))
8954, 74, 883eqtrd 2659 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → ((1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))) = ((𝑁 + 1) / 𝑁))
9089fveq2d 6157 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → (log‘((1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))) = (log‘((𝑁 + 1) / 𝑁)))
9138, 90breqtrd 4644 1 (𝑁 ∈ ℕ → seq0( + , 𝐻) ⇝ (log‘((𝑁 + 1) / 𝑁)))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4   = wceq 1480  wcel 1987   class class class wbr 4618  cmpt 4678  cfv 5852  (class class class)co 6610  cr 9887  0cc0 9888  1c1 9889   + caddc 9891   · cmul 9893   < clt 10026  cle 10027  cmin 10218  -cneg 10219   / cdiv 10636  cn 10972  2c2 11022  0cn0 11244  +crp 11784  seqcseq 12749  cexp 12808  abscabs 13916  cli 14157  logclog 24222
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1719  ax-4 1734  ax-5 1836  ax-6 1885  ax-7 1932  ax-8 1989  ax-9 1996  ax-10 2016  ax-11 2031  ax-12 2044  ax-13 2245  ax-ext 2601  ax-rep 4736  ax-sep 4746  ax-nul 4754  ax-pow 4808  ax-pr 4872  ax-un 6909  ax-inf2 8490  ax-cnex 9944  ax-resscn 9945  ax-1cn 9946  ax-icn 9947  ax-addcl 9948  ax-addrcl 9949  ax-mulcl 9950  ax-mulrcl 9951  ax-mulcom 9952  ax-addass 9953  ax-mulass 9954  ax-distr 9955  ax-i2m1 9956  ax-1ne0 9957  ax-1rid 9958  ax-rnegex 9959  ax-rrecex 9960  ax-cnre 9961  ax-pre-lttri 9962  ax-pre-lttrn 9963  ax-pre-ltadd 9964  ax-pre-mulgt0 9965  ax-pre-sup 9966  ax-addf 9967  ax-mulf 9968
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3or 1037  df-3an 1038  df-tru 1483  df-fal 1486  df-ex 1702  df-nf 1707  df-sb 1878  df-eu 2473  df-mo 2474  df-clab 2608  df-cleq 2614  df-clel 2617  df-nfc 2750  df-ne 2791  df-nel 2894  df-ral 2912  df-rex 2913  df-reu 2914  df-rmo 2915  df-rab 2916  df-v 3191  df-sbc 3422  df-csb 3519  df-dif 3562  df-un 3564  df-in 3566  df-ss 3573  df-pss 3575  df-nul 3897  df-if 4064  df-pw 4137  df-sn 4154  df-pr 4156  df-tp 4158  df-op 4160  df-uni 4408  df-int 4446  df-iun 4492  df-iin 4493  df-br 4619  df-opab 4679  df-mpt 4680  df-tr 4718  df-eprel 4990  df-id 4994  df-po 5000  df-so 5001  df-fr 5038  df-se 5039  df-we 5040  df-xp 5085  df-rel 5086  df-cnv 5087  df-co 5088  df-dm 5089  df-rn 5090  df-res 5091  df-ima 5092  df-pred 5644  df-ord 5690  df-on 5691  df-lim 5692  df-suc 5693  df-iota 5815  df-fun 5854  df-fn 5855  df-f 5856  df-f1 5857  df-fo 5858  df-f1o 5859  df-fv 5860  df-isom 5861  df-riota 6571  df-ov 6613  df-oprab 6614  df-mpt2 6615  df-of 6857  df-om 7020  df-1st 7120  df-2nd 7121  df-supp 7248  df-wrecs 7359  df-recs 7420  df-rdg 7458  df-1o 7512  df-2o 7513  df-oadd 7516  df-er 7694  df-map 7811  df-pm 7812  df-ixp 7861  df-en 7908  df-dom 7909  df-sdom 7910  df-fin 7911  df-fsupp 8228  df-fi 8269  df-sup 8300  df-inf 8301  df-oi 8367  df-card 8717  df-cda 8942  df-pnf 10028  df-mnf 10029  df-xr 10030  df-ltxr 10031  df-le 10032  df-sub 10220  df-neg 10221  df-div 10637  df-nn 10973  df-2 11031  df-3 11032  df-4 11033  df-5 11034  df-6 11035  df-7 11036  df-8 11037  df-9 11038  df-n0 11245  df-xnn0 11316  df-z 11330  df-dec 11446  df-uz 11640  df-q 11741  df-rp 11785  df-xneg 11898  df-xadd 11899  df-xmul 11900  df-ioo 12129  df-ioc 12130  df-ico 12131  df-icc 12132  df-fz 12277  df-fzo 12415  df-fl 12541  df-mod 12617  df-seq 12750  df-exp 12809  df-fac 13009  df-bc 13038  df-hash 13066  df-shft 13749  df-cj 13781  df-re 13782  df-im 13783  df-sqrt 13917  df-abs 13918  df-limsup 14144  df-clim 14161  df-rlim 14162  df-sum 14359  df-ef 14734  df-sin 14736  df-cos 14737  df-tan 14738  df-pi 14739  df-dvds 14919  df-struct 15794  df-ndx 15795  df-slot 15796  df-base 15797  df-sets 15798  df-ress 15799  df-plusg 15886  df-mulr 15887  df-starv 15888  df-sca 15889  df-vsca 15890  df-ip 15891  df-tset 15892  df-ple 15893  df-ds 15896  df-unif 15897  df-hom 15898  df-cco 15899  df-rest 16015  df-topn 16016  df-0g 16034  df-gsum 16035  df-topgen 16036  df-pt 16037  df-prds 16040  df-xrs 16094  df-qtop 16099  df-imas 16100  df-xps 16102  df-mre 16178  df-mrc 16179  df-acs 16181  df-mgm 17174  df-sgrp 17216  df-mnd 17227  df-submnd 17268  df-mulg 17473  df-cntz 17682  df-cmn 18127  df-psmet 19670  df-xmet 19671  df-met 19672  df-bl 19673  df-mopn 19674  df-fbas 19675  df-fg 19676  df-cnfld 19679  df-top 20631  df-topon 20648  df-topsp 20661  df-bases 20674  df-cld 20746  df-ntr 20747  df-cls 20748  df-nei 20825  df-lp 20863  df-perf 20864  df-cn 20954  df-cnp 20955  df-haus 21042  df-cmp 21113  df-tx 21288  df-hmeo 21481  df-fil 21573  df-fm 21665  df-flim 21666  df-flf 21667  df-xms 22048  df-ms 22049  df-tms 22050  df-cncf 22604  df-limc 23553  df-dv 23554  df-ulm 24052  df-log 24224
This theorem is referenced by:  stirlinglem7  39630
  Copyright terms: Public domain W3C validator