Theorem harmonicbnd3 27134

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 12502	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 ↔ (𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0))
2		0re 11206	. . . . 5 ⊢ 0 ∈ ℝ
3		emre 27132	. . . . 5 ⊢ γ ∈ ℝ
4		2re 12311	. . . . . . . . 9 ⊢ 2 ∈ ℝ
5		ere 16139	. . . . . . . . 9 ⊢ e ∈ ℝ
6		egt2lt3 16258	. . . . . . . . . 10 ⊢ (2 < e ∧ e < 3)
7	6	simpli 488	. . . . . . . . 9 ⊢ 2 < e
8	4, 5, 7	ltleii 11329	. . . . . . . 8 ⊢ 2 ≤ e
9		2rp 13017	. . . . . . . . 9 ⊢ 2 ∈ ℝ+
10		epr 16260	. . . . . . . . 9 ⊢ e ∈ ℝ+
11		logleb 26730	. . . . . . . . 9 ⊢ ((2 ∈ ℝ+ ∧ e ∈ ℝ+) → (2 ≤ e ↔ (log‘2) ≤ (log‘e)))
12	9, 10, 11	mp2an 704	. . . . . . . 8 ⊢ (2 ≤ e ↔ (log‘2) ≤ (log‘e))
13	8, 12	mpbi 233	. . . . . . 7 ⊢ (log‘2) ≤ (log‘e)
14		loge 26713	. . . . . . 7 ⊢ (log‘e) = 1
15	13, 14	breqtri 5137	. . . . . 6 ⊢ (log‘2) ≤ 1
16		1re 11204	. . . . . . 7 ⊢ 1 ∈ ℝ
17		relogcl 26702	. . . . . . . 8 ⊢ (2 ∈ ℝ+ → (log‘2) ∈ ℝ)
18	9, 17	ax-mp 5	. . . . . . 7 ⊢ (log‘2) ∈ ℝ
19	16, 18	subge0i 11763	. . . . . 6 ⊢ (0 ≤ (1 − (log‘2)) ↔ (log‘2) ≤ 1)
20	15, 19	mpbir 234	. . . . 5 ⊢ 0 ≤ (1 − (log‘2))
21	3	leidi 11744	. . . . 5 ⊢ γ ≤ γ
22		iccss 13437	. . . . 5 ⊢ (((0 ∈ ℝ ∧ γ ∈ ℝ) ∧ (0 ≤ (1 − (log‘2)) ∧ γ ≤ γ)) → ((1 − (log‘2))[,]γ) ⊆ (0[,]γ))
23	2, 3, 20, 21, 22	mp4an 705	. . . 4 ⊢ ((1 − (log‘2))[,]γ) ⊆ (0[,]γ)
24		harmonicbnd2 27131	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ ((1 − (log‘2))[,]γ))
25	23, 24	sselid 3943	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ (0[,]γ))
26		oveq2 7416	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 = 0 → (1...𝑁) = (1...0))
27		fz10 13569	. . . . . . . . 9 ⊢ (1...0) = ∅
28	26, 27	eqtrdi 2820	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 = 0 → (1...𝑁) = ∅)
29	28	sumeq1d 15747	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) = Σ𝑚 ∈ ∅ (1 / 𝑚))
30		sum0 15768	. . . . . . 7 ⊢ Σ𝑚 ∈ ∅ (1 / 𝑚) = 0
31	29, 30	eqtrdi 2820	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) = 0)
32		fv0p1e1 12358	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 = 0 → (log‘(𝑁 + 1)) = (log‘1))
33		log1 26712	. . . . . . 7 ⊢ (log‘1) = 0
34	32, 33	eqtrdi 2820	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 = 0 → (log‘(𝑁 + 1)) = 0)
35	31, 34	oveq12d 7426	. . . . 5 ⊢ (𝑁 = 0 → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) = (0 − 0))
36		0m0e0 12355	. . . . 5 ⊢ (0 − 0) = 0
37	35, 36	eqtrdi 2820	. . . 4 ⊢ (𝑁 = 0 → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) = 0)
38	2	leidi 11744	. . . . 5 ⊢ 0 ≤ 0
39		emgt0 27133	. . . . . 6 ⊢ 0 < γ
40	2, 3, 39	ltleii 11329	. . . . 5 ⊢ 0 ≤ γ
41	2, 3	elicc2i 13435	. . . . 5 ⊢ (0 ∈ (0[,]γ) ↔ (0 ∈ ℝ ∧ 0 ≤ 0 ∧ 0 ≤ γ))
42	2, 38, 40, 41	mpbir3an 1358	. . . 4 ⊢ 0 ∈ (0[,]γ)
43	37, 42	eqeltrdi 2877	. . 3 ⊢ (𝑁 = 0 → (Σ𝑚 ∈ (1...𝑁)(1 / 𝑚) − (log‘(𝑁 + 1))) ∈ (0[,]γ))
44	25, 43	jaoi 870	. 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))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 209   ∨ wo 860   = wceq 1567   ∈ wcel 2149   ⊆ wss 3913  ∅c0 4294   class class class wbr 5110  ‘cfv 6533  (class class class)co 7408  ℝcr 11095  0cc0 11096  1c1 11097   + caddc 11099   < clt 11239   ≤ cle 11240   − cmin 11437   / cdiv 11867  ℕcn 12229  2c2 12291  3c3 12292  ℕ₀cn0 12500  ℝ⁺crp 13012  [,]cicc 13371  ...cfz 13531  Σcsu 15733  eceu 16112  logclog 26681  γcem 27118

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1822  ax-4 1836  ax-5 1937  ax-6 1994  ax-7 2035  ax-8 2151  ax-9 2159  ax-10 2182  ax-11 2198  ax-12 2219  ax-ext 2741  ax-rep 5239  ax-sep 5258  ax-nul 5268  ax-pow 5334  ax-pr 5402  ax-un 7730  ax-inf2 9606  ax-cnex 11152  ax-resscn 11153  ax-1cn 11154  ax-icn 11155  ax-addcl 11156  ax-addrcl 11157  ax-mulcl 11158  ax-mulrcl 11159  ax-mulcom 11160  ax-addass 11161  ax-mulass 11162  ax-distr 11163  ax-i2m1 11164  ax-1ne0 11165  ax-1rid 11166  ax-rnegex 11167  ax-rrecex 11168  ax-cnre 11169  ax-pre-lttri 11170  ax-pre-lttrn 11171  ax-pre-ltadd 11172  ax-pre-mulgt0 11173  ax-pre-sup 11174  ax-addf 11175

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1570  df-fal 1580  df-ex 1807  df-nf 1811  df-sb 2098  df-mo 2573  df-eu 2603  df-clab 2748  df-cleq 2761  df-clel 2844  df-nfc 2918  df-ne 2965  df-nel 3071  df-ral 3086  df-rex 3096  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3424  df-v 3465  df-sbc 3754  df-csb 3862  df-dif 3916  df-un 3918  df-in 3920  df-ss 3930  df-pss 3933  df-nul 4295  df-if 4490  df-pw 4566  df-sn 4592  df-pr 4594  df-tp 4596  df-op 4598  df-uni 4874  df-int 4914  df-iun 4959  df-iin 4960  df-br 5111  df-opab 5175  df-mpt 5194  df-tr 5220  df-id 5554  df-eprel 5559  df-po 5567  df-so 5568  df-fr 5612  df-se 5613  df-we 5614  df-xp 5665  df-rel 5666  df-cnv 5667  df-co 5668  df-dm 5669  df-rn 5670  df-res 5671  df-ima 5672  df-pred 6299  df-ord 6360  df-on 6361  df-lim 6362  df-suc 6363  df-iota 6489  df-fun 6535  df-fn 6536  df-f 6537  df-f1 6538  df-fo 6539  df-f1o 6540  df-fv 6541  df-isom 6542  df-riota 7365  df-ov 7411  df-oprab 7412  df-mpo 7413  df-of 7672  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-supp 8153  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-2o 8450  df-oadd 8453  df-er 8690  df-map 8822  df-pm 8823  df-ixp 8892  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-fsupp 9318  df-fi 9367  df-sup 9398  df-inf 9399  df-oi 9468  df-card 9921  df-pnf 11241  df-mnf 11242  df-xr 11243  df-ltxr 11244  df-le 11245  df-sub 11439  df-neg 11440  df-div 11868  df-nn 12230  df-2 12299  df-3 12300  df-4 12301  df-5 12302  df-6 12303  df-7 12304  df-8 12305  df-9 12306  df-n0 12501  df-xnn0 12574  df-z 12588  df-dec 12708  df-uz 12859  df-q 12969  df-rp 13013  df-xneg 13133  df-xadd 13134  df-xmul 13135  df-ioo 13372  df-ioc 13373  df-ico 13374  df-icc 13375  df-fz 13532  df-fzo 13679  df-fl 13821  df-mod 13899  df-seq 14034  df-exp 14094  df-fac 14306  df-bc 14335  df-hash 14363  df-shft 15100  df-cj 15146  df-re 15147  df-im 15148  df-sqrt 15282  df-abs 15283  df-limsup 15518  df-clim 15535  df-rlim 15536  df-sum 15734  df-ef 16117  df-e 16118  df-sin 16119  df-cos 16120  df-tan 16121  df-pi 16122  df-dvds 16307  df-struct 17203  df-sets 17220  df-slot 17238  df-ndx 17250  df-base 17266  df-ress 17287  df-plusg 17319  df-mulr 17320  df-starv 17321  df-sca 17322  df-vsca 17323  df-ip 17324  df-tset 17325  df-ple 17326  df-ds 17328  df-unif 17329  df-hom 17330  df-cco 17331  df-rest 17471  df-topn 17472  df-0g 17490  df-gsum 17491  df-topgen 17492  df-pt 17493  df-prds 17496  df-xrs 17552  df-qtop 17557  df-imas 17558  df-xps 17560  df-mre 17634  df-mrc 17635  df-acs 17637  df-mgm 18694  df-sgrp 18773  df-mnd 18789  df-submnd 18838  df-mulg 19130  df-cntz 19383  df-cmn 19848  df-psmet 21479  df-xmet 21480  df-met 21481  df-bl 21482  df-mopn 21483  df-fbas 21484  df-fg 21485  df-cnfld 21488  df-top 23016  df-topon 23033  df-topsp 23055  df-bases 23068  df-cld 23141  df-ntr 23142  df-cls 23143  df-nei 23220  df-lp 23258  df-perf 23259  df-cn 23349  df-cnp 23350  df-haus 23437  df-cmp 23509  df-tx 23684  df-hmeo 23877  df-fil 23968  df-fm 24060  df-flim 24061  df-flf 24062  df-xms 24442  df-ms 24443  df-tms 24444  df-cncf 25002  df-limc 25990  df-dv 25991  df-ulm 26502  df-log 26683  df-atan 26994  df-em 27119

This theorem is referenced by:  harmoniclbnd  27135  harmonicbnd4  27137  logdivbnd  27682