MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  ostth2lem1 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem ostth2lem1 27677
Description: Lemma for ostth2 27696, although it is just a simple statement about exponentials which does not involve any specifics of ostth2 27696. If a power is upper bounded by a linear term, the exponent must be less than one. Or in big-O notation, 𝑛𝑜(𝐴𝑛) for any 1 < 𝐴. (Contributed by Mario Carneiro, 10-Sep-2014.)
Hypotheses
Ref Expression
ostth2lem1.1 (𝜑𝐴 ∈ ℝ)
ostth2lem1.2 (𝜑𝐵 ∈ ℝ)
ostth2lem1.3 ((𝜑𝑛 ∈ ℕ) → (𝐴𝑛) ≤ (𝑛 · 𝐵))
Assertion
Ref Expression
ostth2lem1 (𝜑𝐴 ≤ 1)
Distinct variable groups:   𝐴,𝑛   𝐵,𝑛   𝜑,𝑛

Proof of Theorem ostth2lem1
Dummy variable 𝑘 is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 2re 12338 . . . . . 6 2 ∈ ℝ
2 ostth2lem1.2 . . . . . . 7 (𝜑𝐵 ∈ ℝ)
32adantr 480 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 𝐵 ∈ ℝ)
4 remulcl 11238 . . . . . 6 ((2 ∈ ℝ ∧ 𝐵 ∈ ℝ) → (2 · 𝐵) ∈ ℝ)
51, 3, 4sylancr 587 . . . . 5 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → (2 · 𝐵) ∈ ℝ)
6 simpr 484 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 1 < 𝐴)
7 1re 11259 . . . . . . 7 1 ∈ ℝ
8 ostth2lem1.1 . . . . . . . 8 (𝜑𝐴 ∈ ℝ)
98adantr 480 . . . . . . 7 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 𝐴 ∈ ℝ)
10 difrp 13071 . . . . . . 7 ((1 ∈ ℝ ∧ 𝐴 ∈ ℝ) → (1 < 𝐴 ↔ (𝐴 − 1) ∈ ℝ+))
117, 9, 10sylancr 587 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → (1 < 𝐴 ↔ (𝐴 − 1) ∈ ℝ+))
126, 11mpbid 232 . . . . 5 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → (𝐴 − 1) ∈ ℝ+)
135, 12rerpdivcld 13106 . . . 4 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1)) ∈ ℝ)
14 expnbnd 14268 . . . 4 ((((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1)) ∈ ℝ ∧ 𝐴 ∈ ℝ ∧ 1 < 𝐴) → ∃𝑘 ∈ ℕ ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1)) < (𝐴𝑘))
1513, 9, 6, 14syl3anc 1370 . . 3 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → ∃𝑘 ∈ ℕ ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1)) < (𝐴𝑘))
16 nnnn0 12531 . . . . . 6 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℕ0)
17 reexpcl 14116 . . . . . 6 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (𝐴𝑘) ∈ ℝ)
189, 16, 17syl2an 596 . . . . 5 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴𝑘) ∈ ℝ)
1913adantr 480 . . . . 5 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1)) ∈ ℝ)
2012rpred 13075 . . . . . . . . . . . 12 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → (𝐴 − 1) ∈ ℝ)
2120adantr 480 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴 − 1) ∈ ℝ)
22 nnre 12271 . . . . . . . . . . . 12 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℝ)
2322adantl 481 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝑘 ∈ ℝ)
2421, 23remulcld 11289 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ((𝐴 − 1) · 𝑘) ∈ ℝ)
2524, 18remulcld 11289 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · 𝑘) · (𝐴𝑘)) ∈ ℝ)
268ad2antrr 726 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝐴 ∈ ℝ)
27 2nn 12337 . . . . . . . . . . . 12 2 ∈ ℕ
28 simpr 484 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝑘 ∈ ℕ)
29 nnmulcl 12288 . . . . . . . . . . . 12 ((2 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (2 · 𝑘) ∈ ℕ)
3027, 28, 29sylancr 587 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (2 · 𝑘) ∈ ℕ)
3130nnnn0d 12585 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (2 · 𝑘) ∈ ℕ0)
3226, 31reexpcld 14200 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴↑(2 · 𝑘)) ∈ ℝ)
3330nnred 12279 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (2 · 𝑘) ∈ ℝ)
342ad2antrr 726 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝐵 ∈ ℝ)
3533, 34remulcld 11289 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ((2 · 𝑘) · 𝐵) ∈ ℝ)
36 0red 11262 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 0 ∈ ℝ)
377a1i 11 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 1 ∈ ℝ)
38 0lt1 11783 . . . . . . . . . . . . . . 15 0 < 1
3938a1i 11 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 0 < 1)
4036, 37, 9, 39, 6lttrd 11420 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 0 < 𝐴)
419, 40elrpd 13072 . . . . . . . . . . . 12 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 𝐴 ∈ ℝ+)
42 nnz 12632 . . . . . . . . . . . 12 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℤ)
43 rpexpcl 14118 . . . . . . . . . . . 12 ((𝐴 ∈ ℝ+𝑘 ∈ ℤ) → (𝐴𝑘) ∈ ℝ+)
4441, 42, 43syl2an 596 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴𝑘) ∈ ℝ+)
45 peano2re 11432 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝐴 − 1) · 𝑘) ∈ ℝ → (((𝐴 − 1) · 𝑘) + 1) ∈ ℝ)
4624, 45syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · 𝑘) + 1) ∈ ℝ)
4724ltp1d 12196 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ((𝐴 − 1) · 𝑘) < (((𝐴 − 1) · 𝑘) + 1))
4816adantl 481 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝑘 ∈ ℕ0)
4941adantr 480 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝐴 ∈ ℝ+)
5049rpge0d 13079 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 0 ≤ 𝐴)
51 bernneq2 14266 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0 ∧ 0 ≤ 𝐴) → (((𝐴 − 1) · 𝑘) + 1) ≤ (𝐴𝑘))
5226, 48, 50, 51syl3anc 1370 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · 𝑘) + 1) ≤ (𝐴𝑘))
5324, 46, 18, 47, 52ltletrd 11419 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ((𝐴 − 1) · 𝑘) < (𝐴𝑘))
5424, 18, 44, 53ltmul1dd 13130 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · 𝑘) · (𝐴𝑘)) < ((𝐴𝑘) · (𝐴𝑘)))
5523recnd 11287 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝑘 ∈ ℂ)
56552timesd 12507 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (2 · 𝑘) = (𝑘 + 𝑘))
5756oveq2d 7447 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴↑(2 · 𝑘)) = (𝐴↑(𝑘 + 𝑘)))
5826recnd 11287 . . . . . . . . . . . 12 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝐴 ∈ ℂ)
5958, 48, 48expaddd 14185 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴↑(𝑘 + 𝑘)) = ((𝐴𝑘) · (𝐴𝑘)))
6057, 59eqtrd 2775 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴↑(2 · 𝑘)) = ((𝐴𝑘) · (𝐴𝑘)))
6154, 60breqtrrd 5176 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · 𝑘) · (𝐴𝑘)) < (𝐴↑(2 · 𝑘)))
62 oveq2 7439 . . . . . . . . . . 11 (𝑛 = (2 · 𝑘) → (𝐴𝑛) = (𝐴↑(2 · 𝑘)))
63 oveq1 7438 . . . . . . . . . . 11 (𝑛 = (2 · 𝑘) → (𝑛 · 𝐵) = ((2 · 𝑘) · 𝐵))
6462, 63breq12d 5161 . . . . . . . . . 10 (𝑛 = (2 · 𝑘) → ((𝐴𝑛) ≤ (𝑛 · 𝐵) ↔ (𝐴↑(2 · 𝑘)) ≤ ((2 · 𝑘) · 𝐵)))
65 ostth2lem1.3 . . . . . . . . . . . 12 ((𝜑𝑛 ∈ ℕ) → (𝐴𝑛) ≤ (𝑛 · 𝐵))
6665ralrimiva 3144 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → ∀𝑛 ∈ ℕ (𝐴𝑛) ≤ (𝑛 · 𝐵))
6766ad2antrr 726 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ∀𝑛 ∈ ℕ (𝐴𝑛) ≤ (𝑛 · 𝐵))
6864, 67, 30rspcdva 3623 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴↑(2 · 𝑘)) ≤ ((2 · 𝑘) · 𝐵))
6925, 32, 35, 61, 68ltletrd 11419 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · 𝑘) · (𝐴𝑘)) < ((2 · 𝑘) · 𝐵))
7021recnd 11287 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴 − 1) ∈ ℂ)
7118recnd 11287 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴𝑘) ∈ ℂ)
7270, 71, 55mul32d 11469 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) · 𝑘) = (((𝐴 − 1) · 𝑘) · (𝐴𝑘)))
73 2cnd 12342 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 2 ∈ ℂ)
7434recnd 11287 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 𝐵 ∈ ℂ)
7573, 74, 55mul32d 11469 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ((2 · 𝐵) · 𝑘) = ((2 · 𝑘) · 𝐵))
7669, 72, 753brtr4d 5180 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) · 𝑘) < ((2 · 𝐵) · 𝑘))
7721, 18remulcld 11289 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) ∈ ℝ)
785adantr 480 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (2 · 𝐵) ∈ ℝ)
79 nngt0 12295 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ ℕ → 0 < 𝑘)
8079adantl 481 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 0 < 𝑘)
81 ltmul1 12115 . . . . . . . 8 ((((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) ∈ ℝ ∧ (2 · 𝐵) ∈ ℝ ∧ (𝑘 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑘)) → (((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) < (2 · 𝐵) ↔ (((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) · 𝑘) < ((2 · 𝐵) · 𝑘)))
8277, 78, 23, 80, 81syl112anc 1373 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) < (2 · 𝐵) ↔ (((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) · 𝑘) < ((2 · 𝐵) · 𝑘)))
8376, 82mpbird 257 . . . . . 6 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) < (2 · 𝐵))
8412rpgt0d 13078 . . . . . . . 8 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → 0 < (𝐴 − 1))
8584adantr 480 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 0 < (𝐴 − 1))
86 ltmuldiv2 12140 . . . . . . 7 (((𝐴𝑘) ∈ ℝ ∧ (2 · 𝐵) ∈ ℝ ∧ ((𝐴 − 1) ∈ ℝ ∧ 0 < (𝐴 − 1))) → (((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) < (2 · 𝐵) ↔ (𝐴𝑘) < ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1))))
8718, 78, 21, 85, 86syl112anc 1373 . . . . . 6 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (((𝐴 − 1) · (𝐴𝑘)) < (2 · 𝐵) ↔ (𝐴𝑘) < ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1))))
8883, 87mpbid 232 . . . . 5 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐴𝑘) < ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1)))
8918, 19, 88ltnsymd 11408 . . . 4 (((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → ¬ ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1)) < (𝐴𝑘))
9089nrexdv 3147 . . 3 ((𝜑 ∧ 1 < 𝐴) → ¬ ∃𝑘 ∈ ℕ ((2 · 𝐵) / (𝐴 − 1)) < (𝐴𝑘))
9115, 90pm2.65da 817 . 2 (𝜑 → ¬ 1 < 𝐴)
92 lenlt 11337 . . 3 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ) → (𝐴 ≤ 1 ↔ ¬ 1 < 𝐴))
938, 7, 92sylancl 586 . 2 (𝜑 → (𝐴 ≤ 1 ↔ ¬ 1 < 𝐴))
9491, 93mpbird 257 1 (𝜑𝐴 ≤ 1)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  ¬ wn 3  wi 4  wb 206  wa 395   = wceq 1537  wcel 2106  wral 3059  wrex 3068   class class class wbr 5148  (class class class)co 7431  cr 11152  0cc0 11153  1c1 11154   + caddc 11156   · cmul 11158   < clt 11293  cle 11294  cmin 11490   / cdiv 11918  cn 12264  2c2 12319  0cn0 12524  cz 12611  +crp 13032  cexp 14099
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1792  ax-4 1806  ax-5 1908  ax-6 1965  ax-7 2005  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2139  ax-11 2155  ax-12 2175  ax-ext 2706  ax-sep 5302  ax-nul 5312  ax-pow 5371  ax-pr 5438  ax-un 7754  ax-cnex 11209  ax-resscn 11210  ax-1cn 11211  ax-icn 11212  ax-addcl 11213  ax-addrcl 11214  ax-mulcl 11215  ax-mulrcl 11216  ax-mulcom 11217  ax-addass 11218  ax-mulass 11219  ax-distr 11220  ax-i2m1 11221  ax-1ne0 11222  ax-1rid 11223  ax-rnegex 11224  ax-rrecex 11225  ax-cnre 11226  ax-pre-lttri 11227  ax-pre-lttrn 11228  ax-pre-ltadd 11229  ax-pre-mulgt0 11230  ax-pre-sup 11231
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1540  df-fal 1550  df-ex 1777  df-nf 1781  df-sb 2063  df-mo 2538  df-eu 2567  df-clab 2713  df-cleq 2727  df-clel 2814  df-nfc 2890  df-ne 2939  df-nel 3045  df-ral 3060  df-rex 3069  df-rmo 3378  df-reu 3379  df-rab 3434  df-v 3480  df-sbc 3792  df-csb 3909  df-dif 3966  df-un 3968  df-in 3970  df-ss 3980  df-pss 3983  df-nul 4340  df-if 4532  df-pw 4607  df-sn 4632  df-pr 4634  df-op 4638  df-uni 4913  df-iun 4998  df-br 5149  df-opab 5211  df-mpt 5232  df-tr 5266  df-id 5583  df-eprel 5589  df-po 5597  df-so 5598  df-fr 5641  df-we 5643  df-xp 5695  df-rel 5696  df-cnv 5697  df-co 5698  df-dm 5699  df-rn 5700  df-res 5701  df-ima 5702  df-pred 6323  df-ord 6389  df-on 6390  df-lim 6391  df-suc 6392  df-iota 6516  df-fun 6565  df-fn 6566  df-f 6567  df-f1 6568  df-fo 6569  df-f1o 6570  df-fv 6571  df-riota 7388  df-ov 7434  df-oprab 7435  df-mpo 7436  df-om 7888  df-2nd 8014  df-frecs 8305  df-wrecs 8336  df-recs 8410  df-rdg 8449  df-er 8744  df-en 8985  df-dom 8986  df-sdom 8987  df-sup 9480  df-inf 9481  df-pnf 11295  df-mnf 11296  df-xr 11297  df-ltxr 11298  df-le 11299  df-sub 11492  df-neg 11493  df-div 11919  df-nn 12265  df-2 12327  df-n0 12525  df-z 12612  df-uz 12877  df-rp 13033  df-fl 13829  df-seq 14040  df-exp 14100
This theorem is referenced by:  ostth2lem4  27695
  Copyright terms: Public domain W3C validator