Theorem harmonic 15865

Description: The harmonic series 𝐻 diverges. This fact follows from the stronger emcl 27037, which establishes that the harmonic series grows as log𝑛 + γ + o(1), but this uses a more elementary method, attributed to Nicole Oresme (1323-1382). This is Metamath 100 proof #34. (Contributed by Mario Carneiro, 11-Jul-2014.)

Hypotheses

Ref	Expression
harmonic.1	⊢ 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (1 / 𝑛))
harmonic.2	⊢ 𝐻 = seq1( + , 𝐹)

Assertion

Ref	Expression
harmonic	⊢ ¬ 𝐻 ∈ dom ⇝

Proof of Theorem harmonic

Dummy variables 𝑘 𝑗 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nn0uz 12867	. . . 4 ⊢ ℕ0 = (ℤ≥‘0)
2		0zd 12570	. . . 4 ⊢ (𝐻 ∈ dom ⇝ → 0 ∈ ℤ)
3		1ex 11166	. . . . . 6 ⊢ 1 ∈ V
4	3	fvconst2 7177	. . . . 5 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 → ((ℕ0 × {1})‘𝑘) = 1)
5	4	adantl 484	. . . 4 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((ℕ0 × {1})‘𝑘) = 1)
6		1red 11172	. . . 4 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → 1 ∈ ℝ)
7		harmonic.2	. . . . . . 7 ⊢ 𝐻 = seq1( + , 𝐹)
8	7	eleq1i 2847	. . . . . 6 ⊢ (𝐻 ∈ dom ⇝ ↔ seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ )
9	8	biimpi 218	. . . . 5 ⊢ (𝐻 ∈ dom ⇝ → seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ )
10		oveq2 7393	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 = 𝑘 → (1 / 𝑛) = (1 / 𝑘))
11		harmonic.1	. . . . . . . . 9 ⊢ 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (1 / 𝑛))
12		ovex 7418	. . . . . . . . 9 ⊢ (1 / 𝑘) ∈ V
13	10, 11, 12	fvmpt 6964	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (𝐹‘𝑘) = (1 / 𝑘))
14		nnrecre 12245	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (1 / 𝑘) ∈ ℝ)
15	13, 14	eqeltrd 2856	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (𝐹‘𝑘) ∈ ℝ)
16	15	adantl 484	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑘) ∈ ℝ)
17		nnrp 12995	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℝ+)
18	17	rpreccld 13037	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (1 / 𝑘) ∈ ℝ+)
19	18	rpge0d 13031	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → 0 ≤ (1 / 𝑘))
20	19, 13	breqtrrd 5122	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → 0 ≤ (𝐹‘𝑘))
21	20	adantl 484	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 0 ≤ (𝐹‘𝑘))
22		nnre 12207	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℝ)
23	22	lep1d 12113	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ≤ (𝑘 + 1))
24		nngt0 12234	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → 0 < 𝑘)
25		peano2re 11346	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑘 ∈ ℝ → (𝑘 + 1) ∈ ℝ)
26	22, 25	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (𝑘 + 1) ∈ ℝ)
27		peano2nn 12212	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (𝑘 + 1) ∈ ℕ)
28	27	nngt0d 12252	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → 0 < (𝑘 + 1))
29		lerec 12065	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑘 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑘) ∧ ((𝑘 + 1) ∈ ℝ ∧ 0 < (𝑘 + 1))) → (𝑘 ≤ (𝑘 + 1) ↔ (1 / (𝑘 + 1)) ≤ (1 / 𝑘)))
30	22, 24, 26, 28, 29	syl22anc 847	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (𝑘 ≤ (𝑘 + 1) ↔ (1 / (𝑘 + 1)) ≤ (1 / 𝑘)))
31	23, 30	mpbid 234	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (1 / (𝑘 + 1)) ≤ (1 / 𝑘))
32		oveq2 7393	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 = (𝑘 + 1) → (1 / 𝑛) = (1 / (𝑘 + 1)))
33		ovex 7418	. . . . . . . . . 10 ⊢ (1 / (𝑘 + 1)) ∈ V
34	32, 11, 33	fvmpt 6964	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑘 + 1) ∈ ℕ → (𝐹‘(𝑘 + 1)) = (1 / (𝑘 + 1)))
35	27, 34	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (𝐹‘(𝑘 + 1)) = (1 / (𝑘 + 1)))
36	31, 35, 13	3brtr4d 5126	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (𝐹‘(𝑘 + 1)) ≤ (𝐹‘𝑘))
37	36	adantl 484	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘(𝑘 + 1)) ≤ (𝐹‘𝑘))
38		oveq2 7393	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 = 𝑗 → (2↑𝑘) = (2↑𝑗))
39	38	fveq2d 6860	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 = 𝑗 → (𝐹‘(2↑𝑘)) = (𝐹‘(2↑𝑗)))
40	38, 39	oveq12d 7403	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 = 𝑗 → ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘))) = ((2↑𝑗) · (𝐹‘(2↑𝑗))))
41		fconstmpt 5702	. . . . . . . . 9 ⊢ (ℕ0 × {1}) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ 1)
42		2nn 12281	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 2 ∈ ℕ
43		nnexpcl 14077	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((2 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (2↑𝑘) ∈ ℕ)
44	42, 43	mpan 698	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 → (2↑𝑘) ∈ ℕ)
45		oveq2 7393	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑛 = (2↑𝑘) → (1 / 𝑛) = (1 / (2↑𝑘)))
46		ovex 7418	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (1 / (2↑𝑘)) ∈ V
47	45, 11, 46	fvmpt 6964	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((2↑𝑘) ∈ ℕ → (𝐹‘(2↑𝑘)) = (1 / (2↑𝑘)))
48	44, 47	syl 17	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 → (𝐹‘(2↑𝑘)) = (1 / (2↑𝑘)))
49	48	oveq2d 7401	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 → ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘))) = ((2↑𝑘) · (1 / (2↑𝑘))))
50		nncn 12208	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((2↑𝑘) ∈ ℕ → (2↑𝑘) ∈ ℂ)
51		nnne0 12237	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((2↑𝑘) ∈ ℕ → (2↑𝑘) ≠ 0)
52	50, 51	recidd 11952	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((2↑𝑘) ∈ ℕ → ((2↑𝑘) · (1 / (2↑𝑘))) = 1)
53	44, 52	syl 17	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 → ((2↑𝑘) · (1 / (2↑𝑘))) = 1)
54	49, 53	eqtrd 2791	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 → ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘))) = 1)
55	54	mpteq2ia 5189	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘)))) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ 1)
56	41, 55	eqtr4i 2782	. . . . . . . 8 ⊢ (ℕ0 × {1}) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘))))
57		ovex 7418	. . . . . . . 8 ⊢ ((2↑𝑗) · (𝐹‘(2↑𝑗))) ∈ V
58	40, 56, 57	fvmpt 6964	. . . . . . 7 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ0 → ((ℕ0 × {1})‘𝑗) = ((2↑𝑗) · (𝐹‘(2↑𝑗))))
59	58	adantl 484	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((ℕ0 × {1})‘𝑗) = ((2↑𝑗) · (𝐹‘(2↑𝑗))))
60	16, 21, 37, 59	climcnds 15857	. . . . 5 ⊢ (𝐻 ∈ dom ⇝ → (seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ ↔ seq0( + , (ℕ0 × {1})) ∈ dom ⇝ ))
61	9, 60	mpbid 234	. . . 4 ⊢ (𝐻 ∈ dom ⇝ → seq0( + , (ℕ0 × {1})) ∈ dom ⇝ )
62	1, 2, 5, 6, 61	isumrecl 15768	. . 3 ⊢ (𝐻 ∈ dom ⇝ → Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ∈ ℝ)
63		arch 12468	. . 3 ⊢ (Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ∈ ℝ → ∃𝑗 ∈ ℕ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗)
64	62, 63	syl 17	. 2 ⊢ (𝐻 ∈ dom ⇝ → ∃𝑗 ∈ ℕ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗)
65		fzfid 13976	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (1...𝑗) ∈ Fin)
66		ax-1cn 11121	. . . . . . 7 ⊢ 1 ∈ ℂ
67		fsumconst 15793	. . . . . . 7 ⊢ (((1...𝑗) ∈ Fin ∧ 1 ∈ ℂ) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑗)1 = ((♯‘(1...𝑗)) · 1))
68	65, 66, 67	sylancl 594	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑗)1 = ((♯‘(1...𝑗)) · 1))
69		nnnn0 12478	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℕ0)
70	69	adantl 484	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ∈ ℕ0)
71		hashfz1 14349	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ0 → (♯‘(1...𝑗)) = 𝑗)
72	70, 71	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (♯‘(1...𝑗)) = 𝑗)
73	72	oveq1d 7400	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → ((♯‘(1...𝑗)) · 1) = (𝑗 · 1))
74		nncn 12208	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℂ)
75	74	adantl 484	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ∈ ℂ)
76	75	mulridd 11189	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝑗 · 1) = 𝑗)
77	68, 73, 76	3eqtrd 2795	. . . . 5 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑗)1 = 𝑗)
78		0zd 12570	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 0 ∈ ℤ)
79		elfznn 13548	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ (1...𝑗) → 𝑘 ∈ ℕ)
80		nnnn0 12478	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℕ0)
81	79, 80	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ (1...𝑗) → 𝑘 ∈ ℕ0)
82	81	ssriv 3935	. . . . . . 7 ⊢ (1...𝑗) ⊆ ℕ0
83	82	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (1...𝑗) ⊆ ℕ0)
84	4	adantl 484	. . . . . 6 ⊢ (((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((ℕ0 × {1})‘𝑘) = 1)
85		1red 11172	. . . . . 6 ⊢ (((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → 1 ∈ ℝ)
86		0le1 11700	. . . . . . 7 ⊢ 0 ≤ 1
87	86	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → 0 ≤ 1)
88	61	adantr 483	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → seq0( + , (ℕ0 × {1})) ∈ dom ⇝ )
89	1, 78, 65, 83, 84, 85, 87, 88	isumless 15851	. . . . 5 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑗)1 ≤ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1)
90	77, 89	eqbrtrrd 5118	. . . 4 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ≤ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1)
91		nnre 12207	. . . . 5 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℝ)
92		lenlt 11251	. . . . 5 ⊢ ((𝑗 ∈ ℝ ∧ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ∈ ℝ) → (𝑗 ≤ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ↔ ¬ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗))
93	91, 62, 92	syl2anr 605	. . . 4 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝑗 ≤ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ↔ ¬ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗))
94	90, 93	mpbid 234	. . 3 ⊢ ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → ¬ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗)
95	94	nrexdv 3151	. 2 ⊢ (𝐻 ∈ dom ⇝ → ¬ ∃𝑗 ∈ ℕ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗)
96	64, 95	pm2.65i 195	1 ⊢ ¬ 𝐻 ∈ dom ⇝

Syntax hints:  ¬ wn 3   ↔ wb 208   ∧ wa 398   = wceq 1554   ∈ wcel 2136  ∃wrex 3080   ⊆ wss 3899  {csn 4576   class class class wbr 5094   ↦ cmpt 5175   × cxp 5638  dom cdm 5640  ‘cfv 6510  (class class class)co 7385  Fincfn 8916  ℂcc 11061  ℝcr 11062  0cc0 11063  1c1 11064   + caddc 11066   · cmul 11068   < clt 11206   ≤ cle 11207   / cdiv 11834  ℕcn 12200  2c2 12262  ℕ₀cn0 12471  ...cfz 13502  seqcseq 14004  ↑cexp 14064  ♯chash 14333   ⇝ cli 15487  Σcsu 15689

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1809  ax-4 1823  ax-5 1924  ax-6 1981  ax-7 2022  ax-8 2138  ax-9 2146  ax-10 2169  ax-11 2185  ax-12 2206  ax-ext 2728  ax-rep 5221  ax-sep 5240  ax-nul 5250  ax-pow 5316  ax-pr 5384  ax-un 7707  ax-inf2 9586  ax-cnex 11119  ax-resscn 11120  ax-1cn 11121  ax-icn 11122  ax-addcl 11123  ax-addrcl 11124  ax-mulcl 11125  ax-mulrcl 11126  ax-mulcom 11127  ax-addass 11128  ax-mulass 11129  ax-distr 11130  ax-i2m1 11131  ax-1ne0 11132  ax-1rid 11133  ax-rnegex 11134  ax-rrecex 11135  ax-cnre 11136  ax-pre-lttri 11137  ax-pre-lttrn 11138  ax-pre-ltadd 11139  ax-pre-mulgt0 11140  ax-pre-sup 11141

This theorem depends on definitions:  df-bi 209  df-an 399  df-or 857  df-3or 1096  df-3an 1097  df-tru 1557  df-fal 1567  df-ex 1794  df-nf 1798  df-sb 2085  df-mo 2560  df-eu 2590  df-clab 2735  df-cleq 2748  df-clel 2831  df-nfc 2905  df-ne 2952  df-nel 3056  df-ral 3071  df-rex 3081  df-rmo 3361  df-reu 3362  df-rab 3409  df-v 3450  df-sbc 3740  df-csb 3848  df-dif 3902  df-un 3904  df-in 3906  df-ss 3916  df-pss 3919  df-nul 4281  df-if 4475  df-pw 4551  df-sn 4577  df-pr 4579  df-op 4583  df-uni 4860  df-int 4900  df-iun 4945  df-br 5095  df-opab 5157  df-mpt 5176  df-tr 5202  df-id 5535  df-eprel 5540  df-po 5548  df-so 5549  df-fr 5593  df-se 5594  df-we 5595  df-xp 5646  df-rel 5647  df-cnv 5648  df-co 5649  df-dm 5650  df-rn 5651  df-res 5652  df-ima 5653  df-pred 6277  df-ord 6338  df-on 6339  df-lim 6340  df-suc 6341  df-iota 6466  df-fun 6512  df-fn 6513  df-f 6514  df-f1 6515  df-fo 6516  df-f1o 6517  df-fv 6518  df-isom 6519  df-riota 7342  df-ov 7388  df-oprab 7389  df-mpo 7390  df-om 7836  df-1st 7959  df-2nd 7960  df-frecs 8250  df-wrecs 8281  df-recs 8330  df-rdg 8369  df-1o 8425  df-oadd 8429  df-er 8666  df-pm 8799  df-en 8917  df-dom 8918  df-sdom 8919  df-fin 8920  df-sup 9378  df-inf 9379  df-oi 9448  df-dju 9849  df-card 9887  df-pnf 11208  df-mnf 11209  df-xr 11210  df-ltxr 11211  df-le 11212  df-sub 11406  df-neg 11407  df-div 11835  df-nn 12201  df-2 12270  df-3 12271  df-n0 12472  df-z 12559  df-uz 12830  df-rp 12984  df-ico 13345  df-fz 13503  df-fzo 13650  df-fl 13792  df-seq 14005  df-exp 14065  df-hash 14334  df-cj 15102  df-re 15103  df-im 15104  df-sqrt 15238  df-abs 15239  df-clim 15491  df-rlim 15492  df-sum 15690

This theorem is referenced by: (None)