Theorem harmonicbnd3 27328

Description: A bound on the harmonic series, as compared to the natural logarithm. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Apr-2016.)

Assertion

Ref	Expression
harmonicbnd3	⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ (0[,]γ))

Distinct variable group:   𝑚,𝑁

Proof of Theorem harmonicbnd3

Step	Hyp	Ref	Expression
1		elnn0 12601	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 ↔ (𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0))
2		0re 11303	. . . . 5 ⊢ 0 ∈ ℝ
3		emre 27326	. . . . 5 ⊢ γ ∈ ℝ
4		2re 12410	. . . . . . . . 9 ⊢ 2 ∈ ℝ
5		ere 16248	. . . . . . . . 9 ⊢ e ∈ ℝ
6		egt2lt3 16367	. . . . . . . . . 10 ⊢ (2 < e ∧ e < 3)
7	6	simpli 489	. . . . . . . . 9 ⊢ 2 < e
8	4, 5, 7	ltleii 11426	. . . . . . . 8 ⊢ 2 ≤ e
9		2rp 13118	. . . . . . . . 9 ⊢ 2 ∈ ℝ+
10		epr 16369	. . . . . . . . 9 ⊢ e ∈ ℝ+
11		logleb 26924	. . . . . . . . 9 ⊢ ((2 ∈ ℝ+ ∧ e ∈ ℝ+) → (2 ≤ e ↔ (log‘2) ≤ (log‘e)))
12	9, 10, 11	mp2an 705	. . . . . . . 8 ⊢ (2 ≤ e ↔ (log‘2) ≤ (log‘e))
13	8, 12	mpbi 233	. . . . . . 7 ⊢ (log‘2) ≤ (log‘e)
14		loge 26907	. . . . . . 7 ⊢ (log‘e) = 1
15	13, 14	breqtri 5130	. . . . . 6 ⊢ (log‘2) ≤ 1
16		1re 11301	. . . . . . 7 ⊢ 1 ∈ ℝ
17		relogcl 26896	. . . . . . . 8 ⊢ (2 ∈ ℝ+ → (log‘2) ∈ ℝ)
18	9, 17	ax-mp 5	. . . . . . 7 ⊢ (log‘2) ∈ ℝ
19	16, 18	subge0i 11862	. . . . . 6 ⊢ (0 ≤ (1 − (log‘2)) ↔ (log‘2) ≤ 1)
20	15, 19	mpbir 234	. . . . 5 ⊢ 0 ≤ (1 − (log‘2))
21	3	leidi 11843	. . . . 5 ⊢ γ ≤ γ
22		iccss 13538	. . . . 5 ⊢ (((0 ∈ ℝ ∧ γ ∈ ℝ) ∧ (0 ≤ (1 − (log‘2)) ∧ γ ≤ γ)) → ((1 − (log‘2))[,]γ) ⊆ (0[,]γ))
23	2, 3, 20, 21, 22	mp4an 706	. . . 4 ⊢ ((1 − (log‘2))[,]γ) ⊆ (0[,]γ)
24		harmonicbnd2 27325	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ ((1 − (log‘2))[,]γ))
25	23, 24	sselid 3929	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ (0[,]γ))
26		oveq2 7426	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 = 0 → (1...𝑁) = (1...0))
27		fz10 13671	. . . . . . . . 9 ⊢ (1...0) = ∅
28	26, 27	eqtrdi 2812	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 = 0 → (1...𝑁) = ∅)
29	28	sumeq1d 15860	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) = Σ𝑚 ∈ ∅ (1 / 𝑚))
30		sum0 15880	. . . . . . 7 ⊢ Σ𝑚 ∈ ∅ (1 / 𝑚) = 0
31	29, 30	eqtrdi 2812	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) = 0)
32		fv0p1e1 12457	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 = 0 → (log‘(𝑁 + 1)) = (log‘1))
33		log1 26906	. . . . . . 7 ⊢ (log‘1) = 0
34	32, 33	eqtrdi 2812	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 = 0 → (log‘(𝑁 + 1)) = 0)
35	31, 34	oveq12d 7436	. . . . 5 ⊢ (𝑁 = 0 → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) = (0 − 0))
36		0m0e0 12454	. . . . 5 ⊢ (0 − 0) = 0
37	35, 36	eqtrdi 2812	. . . 4 ⊢ (𝑁 = 0 → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) = 0)
38	2	leidi 11843	. . . . 5 ⊢ 0 ≤ 0
39		emgt0 27327	. . . . . 6 ⊢ 0 < γ
40	2, 3, 39	ltleii 11426	. . . . 5 ⊢ 0 ≤ γ
41	2, 3	elicc2i 13536	. . . . 5 ⊢ (0 ∈ (0[,]γ) ↔ (0 ∈ ℝ ∧ 0 ≤ 0 ∧ 0 ≤ γ))
42	2, 38, 40, 41	mpbir3an 1360	. . . 4 ⊢ 0 ∈ (0[,]γ)
43	37, 42	eqeltrdi 2869	. . 3 ⊢ (𝑁 = 0 → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ (0[,]γ))
44	25, 43	jaoi 871	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0) → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ (0[,]γ))
45	1, 44	sylbi 220	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ (0[,]γ))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∨ wo 861   = wceq 1570   ∈ wcel 2145   ⊆ wss 3899  ∅c0 4279   class class class wbr 5103  ‘cfv 6537  (class class class)co 7418  ℝcr 11192  0cc0 11193  1c1 11194   + caddc 11196   < clt 11336   ≤ cle 11337   − cmin 11534   / cdiv 11966  ℕcn 12328  2c2 12390  3c3 12391  ℕ₀cn0 12599  ℝ⁺crp 13113  [,]cicc 13472  ...cfz 13632  Σcsu 15846  eceu 16221  logclog 26875  γcem 27312

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2213  ax-ext 2733  ax-rep 5232  ax-sep 5249  ax-nul 5260  ax-pow 5327  ax-pr 5391  ax-un 7749  ax-inf2 9635  ax-cnex 11249  ax-resscn 11250  ax-1cn 11251  ax-icn 11252  ax-addcl 11253  ax-addrcl 11254  ax-mulcl 11255  ax-mulrcl 11256  ax-mulcom 11257  ax-addass 11258  ax-mulass 11259  ax-distr 11260  ax-i2m1 11261  ax-1ne0 11262  ax-1rid 11263  ax-rnegex 11264  ax-rrecex 11265  ax-cnre 11266  ax-pre-lttri 11267  ax-pre-lttrn 11268  ax-pre-ltadd 11269  ax-pre-mulgt0 11270  ax-pre-sup 11271  ax-addf 11272

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2100  df-mo 2565  df-eu 2595  df-clab 2740  df-cleq 2753  df-clel 2836  df-nfc 2910  df-ne 2957  df-nel 3063  df-ral 3078  df-rex 3088  df-rmo 3366  df-reu 3367  df-rab 3414  df-v 3453  df-sbc 3740  df-csb 3848  df-dif 3902  df-un 3904  df-in 3906  df-ss 3916  df-pss 3919  df-nul 4280  df-if 4483  df-pw 4559  df-sn 4585  df-pr 4587  df-tp 4589  df-op 4591  df-uni 4868  df-int 4908  df-iun 4953  df-iin 4954  df-br 5104  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-tr 5213  df-id 5546  df-eprel 5551  df-po 5559  df-so 5560  df-fr 5604  df-se 5605  df-we 5606  df-xp 5657  df-rel 5658  df-cnv 5659  df-co 5660  df-dm 5661  df-rn 5662  df-res 5663  df-ima 5664  df-pred 6303  df-ord 6364  df-on 6365  df-lim 6366  df-suc 6367  df-iota 6493  df-fun 6539  df-fn 6540  df-f 6541  df-f1 6542  df-fo 6543  df-f1o 6544  df-fv 6545  df-isom 6546  df-riota 7375  df-ov 7421  df-oprab 7422  df-mpo 7423  df-of 7691  df-om 7876  df-1st 7999  df-2nd 8000  df-supp 8171  df-frecs 8292  df-wrecs 8323  df-recs 8372  df-rdg 8411  df-1o 8469  df-2o 8470  df-oadd 8473  df-er 8710  df-map 8842  df-pm 8843  df-ixp 8919  df-en 8967  df-dom 8968  df-sdom 8969  df-fin 8970  df-fsupp 9347  df-fi 9396  df-sup 9427  df-inf 9428  df-oi 9497  df-card 10013  df-pnf 11338  df-mnf 11339  df-xr 11340  df-ltxr 11341  df-le 11342  df-sub 11536  df-neg 11537  df-div 11967  df-nn 12329  df-2 12398  df-3 12399  df-4 12400  df-5 12401  df-6 12402  df-7 12403  df-8 12404  df-9 12405  df-n0 12600  df-xnn0 12673  df-z 12687  df-dec 12808  df-uz 12959  df-q 13069  df-rp 13114  df-xneg 13234  df-xadd 13235  df-xmul 13236  df-ioo 13473  df-ioc 13474  df-ico 13475  df-icc 13476  df-fz 13633  df-fzo 13782  df-fl 13925  df-mod 14003  df-seq 14138  df-exp 14198  df-fac 14411  df-bc 14440  df-hash 14468  df-shft 15213  df-cj 15259  df-re 15260  df-im 15261  df-sqrt 15395  df-abs 15396  df-limsup 15631  df-clim 15648  df-rlim 15649  df-sum 15847  df-ef 16226  df-e 16227  df-sin 16228  df-cos 16229  df-tan 16230  df-pi 16231  df-dvds 16416  df-struct 17318  df-sets 17335  df-slot 17353  df-ndx 17365  df-base 17381  df-ress 17402  df-plusg 17434  df-mulr 17435  df-starv 17436  df-sca 17437  df-vsca 17438  df-ip 17439  df-tset 17440  df-ple 17441  df-ds 17443  df-unif 17444  df-hom 17445  df-cco 17446  df-rest 17586  df-topn 17587  df-0g 17605  df-gsum 17606  df-topgen 17607  df-pt 17608  df-prds 17611  df-xrs 17667  df-qtop 17672  df-imas 17673  df-xps 17675  df-mre 17749  df-mrc 17750  df-acs 17752  df-mgm 18809  df-sgrp 18901  df-mnd 18917  df-submnd 18972  df-mulg 19271  df-cntz 19524  df-cmn 19989  df-psmet 21663  df-xmet 21664  df-met 21665  df-bl 21666  df-mopn 21667  df-fbas 21668  df-fg 21669  df-cnfld 21672  df-top 23205  df-topon 23222  df-topsp 23244  df-bases 23257  df-cld 23330  df-ntr 23331  df-cls 23332  df-nei 23409  df-lp 23447  df-perf 23448  df-cn 23538  df-cnp 23539  df-haus 23626  df-cmp 23698  df-tx 23874  df-hmeo 24067  df-fil 24158  df-fm 24250  df-flim 24251  df-flf 24252  df-xms 24632  df-ms 24633  df-tms 24634  df-cncf 25192  df-limc 26179  df-dv 26180  df-ulm 26697  df-log 26877  df-atan 27188  df-em 27313

This theorem is used by:  harmoniclbnd  27329  harmonicbnd4  27331  logdivbnd  27876