Proof of Theorem stirlinglem6
Step | Hyp | Ref
| Expression |
1 | | eqid 2738 |
. . 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 2738 |
. . 3
⊢ (𝑗 ∈ ℕ ↦ (((1 /
((2 · 𝑁) +
1))↑𝑗) / 𝑗)) = (𝑗 ∈ ℕ ↦ (((1 / ((2 ·
𝑁) + 1))↑𝑗) / 𝑗)) |
3 | | eqid 2738 |
. . 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 2738 |
. . 3
⊢ (𝑗 ∈ ℕ0
↦ ((2 · 𝑗) +
1)) = (𝑗 ∈
ℕ0 ↦ ((2 · 𝑗) + 1)) |
6 | | 2re 11977 |
. . . . . . 7
⊢ 2 ∈
ℝ |
7 | 6 | a1i 11 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈
ℝ) |
8 | | nnre 11910 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈
ℝ) |
9 | 7, 8 | remulcld 10936 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2
· 𝑁) ∈
ℝ) |
10 | | 0le2 12005 |
. . . . . . 7
⊢ 0 ≤
2 |
11 | 10 | a1i 11 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤
2) |
12 | | 0red 10909 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 ∈
ℝ) |
13 | | nngt0 11934 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 <
𝑁) |
14 | 12, 8, 13 | ltled 11053 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤
𝑁) |
15 | 7, 8, 11, 14 | mulge0d 11482 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ (2
· 𝑁)) |
16 | 9, 15 | ge0p1rpd 12731 |
. . . 4
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2
· 𝑁) + 1) ∈
ℝ+) |
17 | 16 | rpreccld 12711 |
. . 3
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2
· 𝑁) + 1)) ∈
ℝ+) |
18 | | 1red 10907 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈
ℝ) |
19 | 18 | renegcld 11332 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → -1 ∈
ℝ) |
20 | 17 | rpred 12701 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2
· 𝑁) + 1)) ∈
ℝ) |
21 | | neg1lt0 12020 |
. . . . . 6
⊢ -1 <
0 |
22 | 21 | a1i 11 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → -1 <
0) |
23 | 17 | rpgt0d 12704 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (1
/ ((2 · 𝑁) +
1))) |
24 | 19, 12, 20, 22, 23 | lttrd 11066 |
. . . 4
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → -1 <
(1 / ((2 · 𝑁) +
1))) |
25 | | 1rp 12663 |
. . . . . 6
⊢ 1 ∈
ℝ+ |
26 | 25 | a1i 11 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈
ℝ+) |
27 | | 1cnd 10901 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈
ℂ) |
28 | 27 | div1d 11673 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 1) =
1) |
29 | | 2rp 12664 |
. . . . . . . . 9
⊢ 2 ∈
ℝ+ |
30 | 29 | a1i 11 |
. . . . . . . 8
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈
ℝ+) |
31 | | nnrp 12670 |
. . . . . . . 8
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈
ℝ+) |
32 | 30, 31 | rpmulcld 12717 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2
· 𝑁) ∈
ℝ+) |
33 | 18, 32 | ltaddrp2d 12735 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 <
((2 · 𝑁) +
1)) |
34 | 28, 33 | eqbrtrd 5092 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 1)
< ((2 · 𝑁) +
1)) |
35 | 26, 16, 34 | ltrec1d 12721 |
. . . 4
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / ((2
· 𝑁) + 1)) <
1) |
36 | 20, 18 | absltd 15069 |
. . . 4
⊢ (𝑁 ∈ ℕ →
((abs‘(1 / ((2 · 𝑁) + 1))) < 1 ↔ (-1 < (1 / ((2
· 𝑁) + 1)) ∧ (1
/ ((2 · 𝑁) + 1))
< 1))) |
37 | 24, 35, 36 | mpbir2and 709 |
. . 3
⊢ (𝑁 ∈ ℕ →
(abs‘(1 / ((2 · 𝑁) + 1))) < 1) |
38 | 1, 2, 3, 4, 5, 17,
37 | stirlinglem5 43509 |
. 2
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → seq0( + ,
𝐻) ⇝ (log‘((1 +
(1 / ((2 · 𝑁) + 1)))
/ (1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))))) |
39 | | 2cnd 11981 |
. . . . . . . . . 10
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈
ℂ) |
40 | | nncn 11911 |
. . . . . . . . . 10
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈
ℂ) |
41 | 39, 40 | mulcld 10926 |
. . . . . . . . 9
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2
· 𝑁) ∈
ℂ) |
42 | 41, 27 | addcld 10925 |
. . . . . . . 8
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2
· 𝑁) + 1) ∈
ℂ) |
43 | 9, 18 | readdcld 10935 |
. . . . . . . . . 10
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2
· 𝑁) + 1) ∈
ℝ) |
44 | | 2pos 12006 |
. . . . . . . . . . . 12
⊢ 0 <
2 |
45 | 44 | a1i 11 |
. . . . . . . . . . 11
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 <
2) |
46 | 7, 8, 45, 13 | mulgt0d 11060 |
. . . . . . . . . 10
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (2
· 𝑁)) |
47 | 9 | ltp1d 11835 |
. . . . . . . . . 10
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2
· 𝑁) < ((2
· 𝑁) +
1)) |
48 | 12, 9, 43, 46, 47 | lttrd 11066 |
. . . . . . . . 9
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 <
((2 · 𝑁) +
1)) |
49 | 48 | gt0ne0d 11469 |
. . . . . . . 8
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2
· 𝑁) + 1) ≠
0) |
50 | 42, 49 | dividd 11679 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((2
· 𝑁) + 1) / ((2
· 𝑁) + 1)) =
1) |
51 | 50 | eqcomd 2744 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 = (((2
· 𝑁) + 1) / ((2
· 𝑁) +
1))) |
52 | 51 | oveq1d 7270 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 + (1 /
((2 · 𝑁) + 1))) =
((((2 · 𝑁) + 1) /
((2 · 𝑁) + 1)) + (1
/ ((2 · 𝑁) +
1)))) |
53 | 51 | oveq1d 7270 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1
− (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) = ((((2 · 𝑁) + 1) / ((2 · 𝑁) + 1)) − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))) |
54 | 52, 53 | oveq12d 7273 |
. . . 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))))) |
55 | 42, 27, 42, 49 | divdird 11719 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((2
· 𝑁) + 1) + 1) / ((2
· 𝑁) + 1)) = ((((2
· 𝑁) + 1) / ((2
· 𝑁) + 1)) + (1 /
((2 · 𝑁) +
1)))) |
56 | 55 | eqcomd 2744 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((2
· 𝑁) + 1) / ((2
· 𝑁) + 1)) + (1 /
((2 · 𝑁) + 1))) =
((((2 · 𝑁) + 1) + 1)
/ ((2 · 𝑁) +
1))) |
57 | 42, 27, 42, 49 | divsubdird 11720 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((2
· 𝑁) + 1) − 1)
/ ((2 · 𝑁) + 1)) =
((((2 · 𝑁) + 1) /
((2 · 𝑁) + 1))
− (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))) |
58 | 57 | eqcomd 2744 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((2
· 𝑁) + 1) / ((2
· 𝑁) + 1)) −
(1 / ((2 · 𝑁) + 1)))
= ((((2 · 𝑁) + 1)
− 1) / ((2 · 𝑁) + 1))) |
59 | 56, 58 | oveq12d 7273 |
. . . . 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)))) |
60 | 41, 27, 27 | addassd 10928 |
. . . . . . . 8
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((2
· 𝑁) + 1) + 1) = ((2
· 𝑁) + (1 +
1))) |
61 | | 1p1e2 12028 |
. . . . . . . . . 10
⊢ (1 + 1) =
2 |
62 | 61 | a1i 11 |
. . . . . . . . 9
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 + 1) =
2) |
63 | 62 | oveq2d 7271 |
. . . . . . . 8
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2
· 𝑁) + (1 + 1)) =
((2 · 𝑁) +
2)) |
64 | 39 | mulid1d 10923 |
. . . . . . . . . . 11
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2
· 1) = 2) |
65 | 64 | eqcomd 2744 |
. . . . . . . . . 10
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 2 = (2
· 1)) |
66 | 65 | oveq2d 7271 |
. . . . . . . . 9
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2
· 𝑁) + 2) = ((2
· 𝑁) + (2 ·
1))) |
67 | 39, 40, 27 | adddid 10930 |
. . . . . . . . 9
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2
· (𝑁 + 1)) = ((2
· 𝑁) + (2 ·
1))) |
68 | 66, 67 | eqtr4d 2781 |
. . . . . . . 8
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2
· 𝑁) + 2) = (2
· (𝑁 +
1))) |
69 | 60, 63, 68 | 3eqtrd 2782 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((2
· 𝑁) + 1) + 1) = (2
· (𝑁 +
1))) |
70 | 69 | oveq1d 7270 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((2
· 𝑁) + 1) + 1) / ((2
· 𝑁) + 1)) = ((2
· (𝑁 + 1)) / ((2
· 𝑁) +
1))) |
71 | 41, 27 | pncand 11263 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((2
· 𝑁) + 1) − 1)
= (2 · 𝑁)) |
72 | 71 | oveq1d 7270 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((2
· 𝑁) + 1) − 1)
/ ((2 · 𝑁) + 1)) =
((2 · 𝑁) / ((2
· 𝑁) +
1))) |
73 | 70, 72 | oveq12d 7273 |
. . . . 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)))) |
74 | 59, 73 | eqtrd 2778 |
. . . 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)))) |
75 | 40, 27 | addcld 10925 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈
ℂ) |
76 | 39, 75 | mulcld 10926 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2
· (𝑁 + 1)) ∈
ℂ) |
77 | 46 | gt0ne0d 11469 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2
· 𝑁) ≠
0) |
78 | 76, 41, 42, 77, 49 | divcan7d 11709 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((2
· (𝑁 + 1)) / ((2
· 𝑁) + 1)) / ((2
· 𝑁) / ((2 ·
𝑁) + 1))) = ((2 ·
(𝑁 + 1)) / (2 ·
𝑁))) |
79 | 45 | gt0ne0d 11469 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 2 ≠
0) |
80 | 13 | gt0ne0d 11469 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ≠ 0) |
81 | 39, 39, 75, 40, 79, 80 | divmuldivd 11722 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2)
· ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((2 · (𝑁 + 1)) / (2 · 𝑁))) |
82 | 81 | eqcomd 2744 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2
· (𝑁 + 1)) / (2
· 𝑁)) = ((2 / 2)
· ((𝑁 + 1) / 𝑁))) |
83 | 39, 79 | dividd 11679 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2 / 2) =
1) |
84 | 83 | oveq1d 7270 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2)
· ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = (1 · ((𝑁 + 1) / 𝑁))) |
85 | 75, 40, 80 | divcld 11681 |
. . . . . . 7
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) / 𝑁) ∈ ℂ) |
86 | 85 | mulid2d 10924 |
. . . . . 6
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1
· ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((𝑁 + 1) / 𝑁)) |
87 | 84, 86 | eqtrd 2778 |
. . . . 5
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((2 / 2)
· ((𝑁 + 1) / 𝑁)) = ((𝑁 + 1) / 𝑁)) |
88 | 78, 82, 87 | 3eqtrd 2782 |
. . . 4
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((2
· (𝑁 + 1)) / ((2
· 𝑁) + 1)) / ((2
· 𝑁) / ((2 ·
𝑁) + 1))) = ((𝑁 + 1) / 𝑁)) |
89 | 54, 74, 88 | 3eqtrd 2782 |
. . 3
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((1 + (1
/ ((2 · 𝑁) + 1))) /
(1 − (1 / ((2 · 𝑁) + 1)))) = ((𝑁 + 1) / 𝑁)) |
90 | 89 | fveq2d 6760 |
. 2
⊢ (𝑁 ∈ ℕ →
(log‘((1 + (1 / ((2 · 𝑁) + 1))) / (1 − (1 / ((2 ·
𝑁) + 1))))) =
(log‘((𝑁 + 1) / 𝑁))) |
91 | 38, 90 | breqtrd 5096 |
1
⊢ (𝑁 ∈ ℕ → seq0( + ,
𝐻) ⇝
(log‘((𝑁 + 1) / 𝑁))) |