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 44781
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 2732 . . 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 2732 . . 3 (𝑗 ∈ ℕ ↦ (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗)) = (𝑗 ∈ ℕ ↦ (((1 / ((2 · 𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗))
3 eqid 2732 . . 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 2732 . . 3 (𝑗 ∈ ℕ0 ↦ ((2 · 𝑗) + 1)) = (𝑗 ∈ ℕ0 ↦ ((2 · 𝑗) + 1))
6 2re 12282 . . . . . . 7 2 ∈ ℝ
76a1i 11 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ)
8 nnre 12215 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℝ)
97, 8remulcld 11240 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ∈ ℝ)
10 0le2 12310 . . . . . . 7 0 ≤ 2
1110a1i 11 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ 2)
12 0red 11213 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 0 ∈ ℝ)
13 nngt0 12239 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < 𝑁)
1412, 8, 13ltled 11358 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ 𝑁)
157, 8, 11, 14mulge0d 11787 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ (2 · 𝑁))
169, 15ge0p1rpd 13042 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 1) ∈ ℝ+)
1716rpreccld 13022 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) ∈ ℝ+)
18 1red 11211 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℝ)
1918renegcld 11637 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → -1 ∈ ℝ)
2017rpred 13012 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) ∈ ℝ)
21 neg1lt0 12325 . . . . . 6 -1 < 0
2221a1i 11 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → -1 < 0)
2317rpgt0d 13015 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))
2419, 12, 20, 22, 23lttrd 11371 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → -1 < (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))
25 1rp 12974 . . . . . 6 1 ∈ ℝ+
2625a1i 11 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℝ+)
27 1cnd 11205 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
2827div1d 11978 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 1) = 1)
29 2rp 12975 . . . . . . . . 9 2 ∈ ℝ+
3029a1i 11 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ+)
31 nnrp 12981 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℝ+)
3230, 31rpmulcld 13028 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ∈ ℝ+)
3318, 32ltaddrp2d 13046 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 1 < ((2 · 𝑁) + 1))
3428, 33eqbrtrd 5169 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 1) < ((2 · 𝑁) + 1))
3526, 16, 34ltrec1d 13032 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) < 1)
3620, 18absltd 15372 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ((abs‘(1 / ((2 · 𝑁) + 1))) < 1 ↔ (-1 < (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) ∧ (1 / ((2 · 𝑁) + 1)) < 1)))
3724, 35, 36mpbir2and 711 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(1 / ((2 · 𝑁) + 1))) < 1)
381, 2, 3, 4, 5, 17, 37stirlinglem5 44780 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → seq0( + , 𝐻) ⇝ (log‘((1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))))
39 2cnd 12286 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈ ℂ)
40 nncn 12216 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
4139, 40mulcld 11230 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ∈ ℂ)
4241, 27addcld 11229 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 1) ∈ ℂ)
439, 18readdcld 11239 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 1) ∈ ℝ)
44 2pos 12311 . . . . . . . . . . . 12 0 < 2
4544a1i 11 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < 2)
467, 8, 45, 13mulgt0d 11365 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (2 · 𝑁))
479ltp1d 12140 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) < ((2 · 𝑁) + 1))
4812, 9, 43, 46, 47lttrd 11371 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < ((2 · 𝑁) + 1))
4948gt0ne0d 11774 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 1) ≠ 0)
5042, 49dividd 11984 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = 1)
5150eqcomd 2738 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 1 = (((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)))
5251oveq1d 7420 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))
5351oveq1d 7420 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))
5452, 53oveq12d 7423 . . . 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 12024 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))
5655eqcomd 2738 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)))
5742, 27, 42, 49divsubdird 12025 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) − 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))
5857eqcomd 2738 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) − 1) / ((2 · 𝑁) + 1)))
5956, 58oveq12d 7423 . . . . 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 11232 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · 𝑁) + 1) + 1) = ((2 · 𝑁) + (1 + 1)))
61 1p1e2 12333 . . . . . . . . . 10 (1 + 1) = 2
6261a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → (1 + 1) = 2)
6362oveq2d 7421 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + (1 + 1)) = ((2 · 𝑁) + 2))
6439mulridd 11227 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 1) = 2)
6564eqcomd 2738 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → 2 = (2 · 1))
6665oveq2d 7421 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 2) = ((2 · 𝑁) + (2 · 1)))
6739, 40, 27adddid 11234 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · (𝑁 + 1)) = ((2 · 𝑁) + (2 · 1)))
6866, 67eqtr4d 2775 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · 𝑁) + 2) = (2 · (𝑁 + 1)))
6960, 63, 683eqtrd 2776 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · 𝑁) + 1) + 1) = (2 · (𝑁 + 1)))
7069oveq1d 7420 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = ((2 · (𝑁 + 1)) / ((2 · 𝑁) + 1)))
7141, 27pncand 11568 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · 𝑁) + 1) − 1) = (2 · 𝑁))
7271oveq1d 7420 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((2 · 𝑁) + 1) − 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) = ((2 · 𝑁) / ((2 · 𝑁) + 1)))
7370, 72oveq12d 7423 . . . . 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 2772 . . . 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 11229 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℂ)
7639, 75mulcld 11230 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · (𝑁 + 1)) ∈ ℂ)
7746gt0ne0d 11774 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ≠ 0)
7876, 41, 42, 77, 49divcan7d 12014 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · (𝑁 + 1)) / ((2 · 𝑁) + 1)) / ((2 · 𝑁) / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((2 · (𝑁 + 1)) / (2 · 𝑁)))
7945gt0ne0d 11774 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ≠ 0)
8013gt0ne0d 11774 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ≠ 0)
8139, 39, 75, 40, 79, 80divmuldivd 12027 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2) · ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((2 · (𝑁 + 1)) / (2 · 𝑁)))
8281eqcomd 2738 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 · (𝑁 + 1)) / (2 · 𝑁)) = ((2 / 2) · ((𝑁 + 1) / 𝑁)))
8339, 79dividd 11984 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (2 / 2) = 1)
8483oveq1d 7420 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2) · ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = (1 · ((𝑁 + 1) / 𝑁)))
8575, 40, 80divcld 11986 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) / 𝑁) ∈ ℂ)
8685mullidd 11228 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (1 · ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((𝑁 + 1) / 𝑁))
8784, 86eqtrd 2772 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2) · ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((𝑁 + 1) / 𝑁))
8878, 82, 873eqtrd 2776 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (((2 · (𝑁 + 1)) / ((2 · 𝑁) + 1)) / ((2 · 𝑁) / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((𝑁 + 1) / 𝑁))
8954, 74, 883eqtrd 2776 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → ((1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))) = ((𝑁 + 1) / 𝑁))
9089fveq2d 6892 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → (log‘((1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1))))) = (log‘((𝑁 + 1) / 𝑁)))
9138, 90breqtrd 5173 1 (𝑁 ∈ ℕ → seq0( + , 𝐻) ⇝ (log‘((𝑁 + 1) / 𝑁)))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4   = wceq 1541  wcel 2106   class class class wbr 5147  cmpt 5230  cfv 6540  (class class class)co 7405  cr 11105  0cc0 11106  1c1 11107   + caddc 11109   · cmul 11111   < clt 11244  cle 11245  cmin 11440  -cneg 11441   / cdiv 11867  cn 12208  2c2 12263  0cn0 12468  +crp 12970  seqcseq 13962  cexp 14023  abscabs 15177  cli 15424  logclog 26054
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2703  ax-rep 5284  ax-sep 5298  ax-nul 5305  ax-pow 5362  ax-pr 5426  ax-un 7721  ax-inf2 9632  ax-cnex 11162  ax-resscn 11163  ax-1cn 11164  ax-icn 11165  ax-addcl 11166  ax-addrcl 11167  ax-mulcl 11168  ax-mulrcl 11169  ax-mulcom 11170  ax-addass 11171  ax-mulass 11172  ax-distr 11173  ax-i2m1 11174  ax-1ne0 11175  ax-1rid 11176  ax-rnegex 11177  ax-rrecex 11178  ax-cnre 11179  ax-pre-lttri 11180  ax-pre-lttrn 11181  ax-pre-ltadd 11182  ax-pre-mulgt0 11183  ax-pre-sup 11184  ax-addf 11185  ax-mulf 11186
This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2710  df-cleq 2724  df-clel 2810  df-nfc 2885  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3433  df-v 3476  df-sbc 3777  df-csb 3893  df-dif 3950  df-un 3952  df-in 3954  df-ss 3964  df-pss 3966  df-nul 4322  df-if 4528  df-pw 4603  df-sn 4628  df-pr 4630  df-tp 4632  df-op 4634  df-uni 4908  df-int 4950  df-iun 4998  df-iin 4999  df-br 5148  df-opab 5210  df-mpt 5231  df-tr 5265  df-id 5573  df-eprel 5579  df-po 5587  df-so 5588  df-fr 5630  df-se 5631  df-we 5632  df-xp 5681  df-rel 5682  df-cnv 5683  df-co 5684  df-dm 5685  df-rn 5686  df-res 5687  df-ima 5688  df-pred 6297  df-ord 6364  df-on 6365  df-lim 6366  df-suc 6367  df-iota 6492  df-fun 6542  df-fn 6543  df-f 6544  df-f1 6545  df-fo 6546  df-f1o 6547  df-fv 6548  df-isom 6549  df-riota 7361  df-ov 7408  df-oprab 7409  df-mpo 7410  df-of 7666  df-om 7852  df-1st 7971  df-2nd 7972  df-supp 8143  df-frecs 8262  df-wrecs 8293  df-recs 8367  df-rdg 8406  df-1o 8462  df-2o 8463  df-oadd 8466  df-er 8699  df-map 8818  df-pm 8819  df-ixp 8888  df-en 8936  df-dom 8937  df-sdom 8938  df-fin 8939  df-fsupp 9358  df-fi 9402  df-sup 9433  df-inf 9434  df-oi 9501  df-card 9930  df-pnf 11246  df-mnf 11247  df-xr 11248  df-ltxr 11249  df-le 11250  df-sub 11442  df-neg 11443  df-div 11868  df-nn 12209  df-2 12271  df-3 12272  df-4 12273  df-5 12274  df-6 12275  df-7 12276  df-8 12277  df-9 12278  df-n0 12469  df-xnn0 12541  df-z 12555  df-dec 12674  df-uz 12819  df-q 12929  df-rp 12971  df-xneg 13088  df-xadd 13089  df-xmul 13090  df-ioo 13324  df-ioc 13325  df-ico 13326  df-icc 13327  df-fz 13481  df-fzo 13624  df-fl 13753  df-mod 13831  df-seq 13963  df-exp 14024  df-fac 14230  df-bc 14259  df-hash 14287  df-shft 15010  df-cj 15042  df-re 15043  df-im 15044  df-sqrt 15178  df-abs 15179  df-limsup 15411  df-clim 15428  df-rlim 15429  df-sum 15629  df-ef 16007  df-sin 16009  df-cos 16010  df-tan 16011  df-pi 16012  df-dvds 16194  df-struct 17076  df-sets 17093  df-slot 17111  df-ndx 17123  df-base 17141  df-ress 17170  df-plusg 17206  df-mulr 17207  df-starv 17208  df-sca 17209  df-vsca 17210  df-ip 17211  df-tset 17212  df-ple 17213  df-ds 17215  df-unif 17216  df-hom 17217  df-cco 17218  df-rest 17364  df-topn 17365  df-0g 17383  df-gsum 17384  df-topgen 17385  df-pt 17386  df-prds 17389  df-xrs 17444  df-qtop 17449  df-imas 17450  df-xps 17452  df-mre 17526  df-mrc 17527  df-acs 17529  df-mgm 18557  df-sgrp 18606  df-mnd 18622  df-submnd 18668  df-mulg 18945  df-cntz 19175  df-cmn 19644  df-psmet 20928  df-xmet 20929  df-met 20930  df-bl 20931  df-mopn 20932  df-fbas 20933  df-fg 20934  df-cnfld 20937  df-top 22387  df-topon 22404  df-topsp 22426  df-bases 22440  df-cld 22514  df-ntr 22515  df-cls 22516  df-nei 22593  df-lp 22631  df-perf 22632  df-cn 22722  df-cnp 22723  df-haus 22810  df-cmp 22882  df-tx 23057  df-hmeo 23250  df-fil 23341  df-fm 23433  df-flim 23434  df-flf 23435  df-xms 23817  df-ms 23818  df-tms 23819  df-cncf 24385  df-limc 25374  df-dv 25375  df-ulm 25880  df-log 26056
This theorem is referenced by:  stirlinglem7  44782
  Copyright terms: Public domain W3C validator