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Theorem vmadivsum 23395
Description: The sum of the von Mangoldt function over  n is asymptotic to  log x  +  O(1). Equation 9.2.13 of [Shapiro], p. 331. (Contributed by Mario Carneiro, 16-Apr-2016.)
Assertion
Ref Expression
vmadivsum  |-  ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( log `  x ) ) )  e.  O(1)
Distinct variable group:    x, n

Proof of Theorem vmadivsum
StepHypRef Expression
1 reex 9579 . . . . . . 7  |-  RR  e.  _V
2 rpssre 11226 . . . . . . 7  |-  RR+  C_  RR
31, 2ssexi 4592 . . . . . 6  |-  RR+  e.  _V
43a1i 11 . . . . 5  |-  ( T. 
->  RR+  e.  _V )
5 ovex 6307 . . . . . 6  |-  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  e.  _V
65a1i 11 . . . . 5  |-  ( ( T.  /\  x  e.  RR+ )  ->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  e.  _V )
7 ovex 6307 . . . . . 6  |-  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  e.  _V
87a1i 11 . . . . 5  |-  ( ( T.  /\  x  e.  RR+ )  ->  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  e.  _V )
9 eqidd 2468 . . . . 5  |-  ( T. 
->  ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  =  ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )
10 eqidd 2468 . . . . 5  |-  ( T. 
->  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  =  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )
114, 6, 8, 9, 10offval2 6538 . . . 4  |-  ( T. 
->  ( ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  oF  -  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )  =  ( x  e.  RR+  |->  ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  -  ( ( log `  x )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) ) )
1211trud 1388 . . 3  |-  ( ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  oF  -  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )  =  ( x  e.  RR+  |->  ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  -  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )
13 fzfid 12047 . . . . . . 7  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( 1 ... ( |_ `  x ) )  e. 
Fin )
14 elfznn 11710 . . . . . . . . . 10  |-  ( n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) )  ->  n  e.  NN )
1514adantl 466 . . . . . . . . 9  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  n  e.  NN )
16 vmacl 23120 . . . . . . . . 9  |-  ( n  e.  NN  ->  (Λ `  n )  e.  RR )
1715, 16syl 16 . . . . . . . 8  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  (Λ `  n
)  e.  RR )
1817, 15nndivred 10580 . . . . . . 7  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (Λ `  n )  /  n
)  e.  RR )
1913, 18fsumrecl 13515 . . . . . 6  |-  ( x  e.  RR+  ->  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  e.  RR )
2019recnd 9618 . . . . 5  |-  ( x  e.  RR+  ->  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  e.  CC )
21 relogcl 22691 . . . . . 6  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( log `  x )  e.  RR )
2221recnd 9618 . . . . 5  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( log `  x )  e.  CC )
23 rprege0 11230 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( x  e.  RR  /\  0  <_  x ) )
24 flge0nn0 11918 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( x  e.  RR  /\  0  <_  x )  -> 
( |_ `  x
)  e.  NN0 )
25 faccl 12327 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( |_ `  x )  e.  NN0  ->  ( ! `
 ( |_ `  x ) )  e.  NN )
2623, 24, 253syl 20 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ! `
 ( |_ `  x ) )  e.  NN )
2726nnrpd 11251 . . . . . . . 8  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ! `
 ( |_ `  x ) )  e.  RR+ )
2827relogcld 22736 . . . . . . 7  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  e.  RR )
29 rerpdivcl 11243 . . . . . . 7  |-  ( ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  e.  RR  /\  x  e.  RR+ )  ->  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x )  e.  RR )
3028, 29mpancom 669 . . . . . 6  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x )  e.  RR )
3130recnd 9618 . . . . 5  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x )  e.  CC )
3220, 22, 31nnncan2d 9961 . . . 4  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  -  ( ( log `  x )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  =  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( log `  x ) ) )
3332mpteq2ia 4529 . . 3  |-  ( x  e.  RR+  |->  ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  -  ( ( log `  x )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )  =  ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( log `  x ) ) )
3412, 33eqtri 2496 . 2  |-  ( ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  oF  -  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )  =  ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( log `  x
) ) )
35 1red 9607 . . . . 5  |-  ( T. 
->  1  e.  RR )
36 chpo1ub 23393 . . . . . 6  |-  ( x  e.  RR+  |->  ( (ψ `  x )  /  x
) )  e.  O(1)
3736a1i 11 . . . . 5  |-  ( T. 
->  ( x  e.  RR+  |->  ( (ψ `  x )  /  x ) )  e.  O(1) )
38 rpre 11222 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  x  e.  RR )
39 chpcl 23126 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR  ->  (ψ `  x )  e.  RR )
4038, 39syl 16 . . . . . . . 8  |-  ( x  e.  RR+  ->  (ψ `  x )  e.  RR )
41 rerpdivcl 11243 . . . . . . . 8  |-  ( ( (ψ `  x )  e.  RR  /\  x  e.  RR+ )  ->  ( (ψ `  x )  /  x
)  e.  RR )
4240, 41mpancom 669 . . . . . . 7  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( (ψ `  x )  /  x
)  e.  RR )
4342recnd 9618 . . . . . 6  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( (ψ `  x )  /  x
)  e.  CC )
4443adantl 466 . . . . 5  |-  ( ( T.  /\  x  e.  RR+ )  ->  ( (ψ `  x )  /  x
)  e.  CC )
4520, 31subcld 9926 . . . . . 6  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  e.  CC )
4645adantl 466 . . . . 5  |-  ( ( T.  /\  x  e.  RR+ )  ->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  e.  CC )
4738adantr 465 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  x  e.  RR )
4818, 47remulcld 9620 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (
(Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  e.  RR )
49 nndivre 10567 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( x  e.  RR  /\  n  e.  NN )  ->  ( x  /  n
)  e.  RR )
5038, 14, 49syl2an 477 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( x  /  n )  e.  RR )
51 reflcl 11897 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  /  n )  e.  RR  ->  ( |_ `  ( x  /  n ) )  e.  RR )
5250, 51syl 16 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( |_ `  ( x  /  n
) )  e.  RR )
5317, 52remulcld 9620 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  ( x  /  n ) ) )  e.  RR )
5448, 53resubcld 9983 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (
( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  ( x  /  n ) ) ) )  e.  RR )
5550, 52resubcld 9983 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (
x  /  n )  -  ( |_ `  ( x  /  n
) ) )  e.  RR )
56 1red 9607 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  1  e.  RR )
57 vmage0 23123 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( n  e.  NN  ->  0  <_  (Λ `  n )
)
5815, 57syl 16 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  0  <_  (Λ `  n ) )
59 fracle1 11904 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  /  n )  e.  RR  ->  (
( x  /  n
)  -  ( |_
`  ( x  /  n ) ) )  <_  1 )
6050, 59syl 16 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (
x  /  n )  -  ( |_ `  ( x  /  n
) ) )  <_ 
1 )
6155, 56, 17, 58, 60lemul2ad 10482 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (Λ `  n )  x.  (
( x  /  n
)  -  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) )  <_  ( (Λ `  n )  x.  1 ) )
6217recnd 9618 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  (Λ `  n
)  e.  CC )
6350recnd 9618 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( x  /  n )  e.  CC )
6452recnd 9618 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( |_ `  ( x  /  n
) )  e.  CC )
6562, 63, 64subdid 10008 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (Λ `  n )  x.  (
( x  /  n
)  -  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) )  =  ( ( (Λ `  n )  x.  ( x  /  n
) )  -  (
(Λ `  n )  x.  ( |_ `  (
x  /  n ) ) ) ) )
66 rpcn 11224 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( x  e.  RR+  ->  x  e.  CC )
6766adantr 465 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  x  e.  CC )
6815nnrpd 11251 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  n  e.  RR+ )
69 rpcnne0 11233 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( n  e.  RR+  ->  ( n  e.  CC  /\  n  =/=  0 ) )
7068, 69syl 16 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( n  e.  CC  /\  n  =/=  0 ) )
71 div23 10222 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( (Λ `  n )  e.  CC  /\  x  e.  CC  /\  ( n  e.  CC  /\  n  =/=  0 ) )  -> 
( ( (Λ `  n
)  x.  x )  /  n )  =  ( ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x ) )
72 divass 10221 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( (Λ `  n )  e.  CC  /\  x  e.  CC  /\  ( n  e.  CC  /\  n  =/=  0 ) )  -> 
( ( (Λ `  n
)  x.  x )  /  n )  =  ( (Λ `  n
)  x.  ( x  /  n ) ) )
7371, 72eqtr3d 2510 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( (Λ `  n )  e.  CC  /\  x  e.  CC  /\  ( n  e.  CC  /\  n  =/=  0 ) )  -> 
( ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  =  ( (Λ `  n
)  x.  ( x  /  n ) ) )
7462, 67, 70, 73syl3anc 1228 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (
(Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  =  ( (Λ `  n )  x.  (
x  /  n ) ) )
7574oveq1d 6297 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (
( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  ( x  /  n ) ) ) )  =  ( ( (Λ `  n )  x.  ( x  /  n
) )  -  (
(Λ `  n )  x.  ( |_ `  (
x  /  n ) ) ) ) )
7665, 75eqtr4d 2511 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (Λ `  n )  x.  (
( x  /  n
)  -  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) )  =  ( ( ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  (
x  /  n ) ) ) ) )
7762mulid1d 9609 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (Λ `  n )  x.  1 )  =  (Λ `  n
) )
7861, 76, 773brtr3d 4476 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (
( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  ( x  /  n ) ) ) )  <_  (Λ `  n
) )
7913, 54, 17, 78fsumle 13572 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( ( ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  -  ( (Λ `  n
)  x.  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) )  <_  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) (Λ `  n )
)
8018recnd 9618 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (Λ `  n )  /  n
)  e.  CC )
8113, 66, 80fsummulc1 13559 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  =  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x ) )
82 logfac2 23220 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR  /\  0  <_  x )  -> 
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  =  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  x.  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) )
8323, 82syl 16 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  =  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  x.  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) )
8481, 83oveq12d 6300 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  =  (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  (
x  /  n ) ) ) ) )
8548recnd 9618 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (
(Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  e.  CC )
8653recnd 9618 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  ( x  /  n ) ) )  e.  CC )
8713, 85, 86fsumsub 13562 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR+  ->  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( ( ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  -  ( (Λ `  n
)  x.  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) )  =  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  x.  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) ) )
8884, 87eqtr4d 2511 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  =  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( ( ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  (
x  /  n ) ) ) ) )
89 chpval 23124 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR  ->  (ψ `  x )  =  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) (Λ `  n
) )
9038, 89syl 16 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  (ψ `  x )  =  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) (Λ `  n
) )
9179, 88, 903brtr4d 4477 . . . . . . . 8  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  <_  (ψ `  x ) )
9219, 38remulcld 9620 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  e.  RR )
9392, 28resubcld 9983 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  e.  RR )
94 rpregt0 11229 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( x  e.  RR  /\  0  <  x ) )
95 lediv1 10403 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  e.  RR  /\  (ψ `  x )  e.  RR  /\  ( x  e.  RR  /\  0  <  x ) )  -> 
( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  <_  (ψ `  x
)  <->  ( ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  /  x
)  <_  ( (ψ `  x )  /  x
) ) )
9693, 40, 94, 95syl3anc 1228 . . . . . . . 8  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  <_  (ψ `  x
)  <->  ( ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  /  x
)  <_  ( (ψ `  x )  /  x
) ) )
9791, 96mpbid 210 . . . . . . 7  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  /  x )  <_  ( (ψ `  x )  /  x
) )
9892recnd 9618 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  e.  CC )
9928recnd 9618 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  e.  CC )
100 rpcnne0 11233 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( x  e.  CC  /\  x  =/=  0 ) )
101 divsubdir 10236 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  e.  CC  /\  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  e.  CC  /\  ( x  e.  CC  /\  x  =/=  0 ) )  ->  ( (
( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  /  x )  =  ( ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  /  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )
10298, 99, 100, 101syl3anc 1228 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  /  x )  =  ( ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  /  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )
103 rpne0 11231 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( x  e.  RR+  ->  x  =/=  0 )
10420, 66, 103divcan4d 10322 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  /  x )  =  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n ) )
105104oveq1d 6297 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  /  x )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  =  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )
106102, 105eqtr2d 2509 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) )  =  ( ( (
sum_ n  e.  (
1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  x.  x
)  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  /  x
) )
107106fveq2d 5868 . . . . . . . 8  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( abs `  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  =  ( abs `  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  /  x ) ) )
108 rerpdivcl 11243 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  e.  RR  /\  x  e.  RR+ )  -> 
( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  /  x )  e.  RR )
10993, 108mpancom 669 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  /  x )  e.  RR )
110 flle 11900 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( x  /  n )  e.  RR  ->  ( |_ `  ( x  /  n ) )  <_ 
( x  /  n
) )
11150, 110syl 16 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( |_ `  ( x  /  n
) )  <_  (
x  /  n ) )
11250, 52subge0d 10138 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  ( 0  <_  ( ( x  /  n )  -  ( |_ `  ( x  /  n ) ) )  <->  ( |_ `  ( x  /  n
) )  <_  (
x  /  n ) ) )
113111, 112mpbird 232 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  0  <_  ( ( x  /  n
)  -  ( |_
`  ( x  /  n ) ) ) )
11417, 55, 58, 113mulge0d 10125 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  0  <_  ( (Λ `  n )  x.  ( ( x  /  n )  -  ( |_ `  ( x  /  n ) ) ) ) )
115114, 76breqtrd 4471 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( x  e.  RR+  /\  n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) )  ->  0  <_  ( ( ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  (
x  /  n ) ) ) ) )
11613, 54, 115fsumge0 13568 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x  e.  RR+  ->  0  <_  sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( ( ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( (Λ `  n )  x.  ( |_ `  (
x  /  n ) ) ) ) )
117116, 88breqtrrd 4473 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR+  ->  0  <_ 
( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) ) )
118 divge0 10407 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  e.  RR  /\  0  <_  ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) ) )  /\  (
x  e.  RR  /\  0  <  x ) )  ->  0  <_  (
( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  /  x ) )
11993, 117, 94, 118syl21anc 1227 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  0  <_ 
( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  /  x ) )
120109, 119absidd 13213 . . . . . . . 8  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( abs `  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  x.  x )  -  ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) ) )  /  x ) )  =  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  /  x ) )
121107, 120eqtrd 2508 . . . . . . 7  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( abs `  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  =  ( ( ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  x.  x )  -  ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) ) )  /  x ) )
122 chpge0 23128 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  e.  RR  ->  0  <_  (ψ `  x )
)
12338, 122syl 16 . . . . . . . . 9  |-  ( x  e.  RR+  ->  0  <_ 
(ψ `  x )
)
124 divge0 10407 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( (ψ `  x
)  e.  RR  /\  0  <_  (ψ `  x
) )  /\  (
x  e.  RR  /\  0  <  x ) )  ->  0  <_  (
(ψ `  x )  /  x ) )
12540, 123, 94, 124syl21anc 1227 . . . . . . . 8  |-  ( x  e.  RR+  ->  0  <_ 
( (ψ `  x
)  /  x ) )
12642, 125absidd 13213 . . . . . . 7  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( abs `  ( (ψ `  x
)  /  x ) )  =  ( (ψ `  x )  /  x
) )
12797, 121, 1263brtr4d 4477 . . . . . 6  |-  ( x  e.  RR+  ->  ( abs `  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  <_  ( abs `  ( (ψ `  x )  /  x
) ) )
128127ad2antrl 727 . . . . 5  |-  ( ( T.  /\  ( x  e.  RR+  /\  1  <_  x ) )  -> 
( abs `  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n )  /  n )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  <_  ( abs `  ( (ψ `  x
)  /  x ) ) )
12935, 37, 44, 46, 128o1le 13434 . . . 4  |-  ( T. 
->  ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  e.  O(1) )
130129trud 1388 . . 3  |-  ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  e.  O(1)
131 logfacrlim 23227 . . . 4  |-  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  ~~> r  1
132 rlimo1 13398 . . . 4  |-  ( ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  ~~> r  1  ->  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  e.  O(1) )
133131, 132ax-mp 5 . . 3  |-  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  e.  O(1)
134 o1sub 13397 . . 3  |-  ( ( ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_
`  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  e.  O(1)  /\  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  e.  O(1) )  -> 
( ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x ) ) ( (Λ `  n
)  /  n )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  oF  -  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  (
( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )  e.  O(1) )
135130, 133, 134mp2an 672 . 2  |-  ( ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( ( log `  ( ! `
 ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) )  oF  -  ( x  e.  RR+  |->  ( ( log `  x )  -  ( ( log `  ( ! `  ( |_ `  x ) ) )  /  x ) ) ) )  e.  O(1)
13634, 135eqeltrri 2552 1  |-  ( x  e.  RR+  |->  ( sum_ n  e.  ( 1 ... ( |_ `  x
) ) ( (Λ `  n )  /  n
)  -  ( log `  x ) ) )  e.  O(1)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:    <-> wb 184    /\ wa 369    /\ w3a 973    = wceq 1379   T. wtru 1380    e. wcel 1767    =/= wne 2662   _Vcvv 3113   class class class wbr 4447    |-> cmpt 4505   ` cfv 5586  (class class class)co 6282    oFcof 6520   CCcc 9486   RRcr 9487   0cc0 9488   1c1 9489    x. cmul 9493    < clt 9624    <_ cle 9625    - cmin 9801    / cdiv 10202   NNcn 10532   NN0cn0 10791   RR+crp 11216   ...cfz 11668   |_cfl 11891   !cfa 12317   abscabs 13026    ~~> r crli 13267   O(1)co1 13268   sum_csu 13467   logclog 22670  Λcvma 23093  ψcchp 23094
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1601  ax-4 1612  ax-5 1680  ax-6 1719  ax-7 1739  ax-8 1769  ax-9 1771  ax-10 1786  ax-11 1791  ax-12 1803  ax-13 1968  ax-ext 2445  ax-rep 4558  ax-sep 4568  ax-nul 4576  ax-pow 4625  ax-pr 4686  ax-un 6574  ax-inf2 8054  ax-cnex 9544  ax-resscn 9545  ax-1cn 9546  ax-icn 9547  ax-addcl 9548  ax-addrcl 9549  ax-mulcl 9550  ax-mulrcl 9551  ax-mulcom 9552  ax-addass 9553  ax-mulass 9554  ax-distr 9555  ax-i2m1 9556  ax-1ne0 9557  ax-1rid 9558  ax-rnegex 9559  ax-rrecex 9560  ax-cnre 9561  ax-pre-lttri 9562  ax-pre-lttrn 9563  ax-pre-ltadd 9564  ax-pre-mulgt0 9565  ax-pre-sup 9566  ax-addf 9567  ax-mulf 9568
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 370  df-an 371  df-3or 974  df-3an 975  df-tru 1382  df-fal 1385  df-ex 1597  df-nf 1600  df-sb 1712  df-eu 2279  df-mo 2280  df-clab 2453  df-cleq 2459  df-clel 2462  df-nfc 2617  df-ne 2664  df-nel 2665  df-ral 2819  df-rex 2820  df-reu 2821  df-rmo 2822  df-rab 2823  df-v 3115  df-sbc 3332  df-csb 3436  df-dif 3479  df-un 3481  df-in 3483  df-ss 3490  df-pss 3492  df-nul 3786  df-if 3940  df-pw 4012  df-sn 4028  df-pr 4030  df-tp 4032  df-op 4034  df-uni 4246  df-int 4283  df-iun 4327  df-iin 4328  df-br 4448  df-opab 4506  df-mpt 4507  df-tr 4541  df-eprel 4791  df-id 4795  df-po 4800  df-so 4801  df-fr 4838  df-se 4839  df-we 4840  df-ord 4881  df-on 4882  df-lim 4883  df-suc 4884  df-xp 5005  df-rel 5006  df-cnv 5007  df-co 5008  df-dm 5009  df-rn 5010  df-res 5011  df-ima 5012  df-iota 5549  df-fun 5588  df-fn 5589  df-f 5590  df-f1 5591  df-fo 5592  df-f1o 5593  df-fv 5594  df-isom 5595  df-riota 6243  df-ov 6285  df-oprab 6286  df-mpt2 6287  df-of 6522  df-om 6679  df-1st 6781  df-2nd 6782  df-supp 6899  df-recs 7039  df-rdg 7073  df-1o 7127  df-2o 7128  df-oadd 7131  df-er 7308  df-map 7419  df-pm 7420  df-ixp 7467  df-en 7514  df-dom 7515  df-sdom 7516  df-fin 7517  df-fsupp 7826  df-fi 7867  df-sup 7897  df-oi 7931  df-card 8316  df-cda 8544  df-pnf 9626  df-mnf 9627  df-xr 9628  df-ltxr 9629  df-le 9630  df-sub 9803  df-neg 9804  df-div 10203  df-nn 10533  df-2 10590  df-3 10591  df-4 10592  df-5 10593  df-6 10594  df-7 10595  df-8 10596  df-9 10597  df-10 10598  df-n0 10792  df-z 10861  df-dec 10973  df-uz 11079  df-q 11179  df-rp 11217  df-xneg 11314  df-xadd 11315  df-xmul 11316  df-ioo 11529  df-ioc 11530  df-ico 11531  df-icc 11532  df-fz 11669  df-fzo 11789  df-fl 11893  df-mod 11961  df-seq 12072  df-exp 12131  df-fac 12318  df-bc 12345  df-hash 12370  df-shft 12859  df-cj 12891  df-re 12892  df-im 12893  df-sqrt 13027  df-abs 13028  df-limsup 13253  df-clim 13270  df-rlim 13271  df-o1 13272  df-lo1 13273  df-sum 13468  df-ef 13661  df-e 13662  df-sin 13663  df-cos 13664  df-pi 13666  df-dvds 13844  df-gcd 14000  df-prm 14073  df-pc 14216  df-struct 14488  df-ndx 14489  df-slot 14490  df-base 14491  df-sets 14492  df-ress 14493  df-plusg 14564  df-mulr 14565  df-starv 14566  df-sca 14567  df-vsca 14568  df-ip 14569  df-tset 14570  df-ple 14571  df-ds 14573  df-unif 14574  df-hom 14575  df-cco 14576  df-rest 14674  df-topn 14675  df-0g 14693  df-gsum 14694  df-topgen 14695  df-pt 14696  df-prds 14699  df-xrs 14753  df-qtop 14758  df-imas 14759  df-xps 14761  df-mre 14837  df-mrc 14838  df-acs 14840  df-mnd 15728  df-submnd 15778  df-mulg 15861  df-cntz 16150  df-cmn 16596  df-psmet 18182  df-xmet 18183  df-met 18184  df-bl 18185  df-mopn 18186  df-fbas 18187  df-fg 18188  df-cnfld 18192  df-top 19166  df-bases 19168  df-topon 19169  df-topsp 19170  df-cld 19286  df-ntr 19287  df-cls 19288  df-nei 19365  df-lp 19403  df-perf 19404  df-cn 19494  df-cnp 19495  df-haus 19582  df-cmp 19653  df-tx 19798  df-hmeo 19991  df-fil 20082  df-fm 20174  df-flim 20175  df-flf 20176  df-xms 20558  df-ms 20559  df-tms 20560  df-cncf 21117  df-limc 22005  df-dv 22006  df-log 22672  df-cxp 22673  df-cht 23098  df-vma 23099  df-chp 23100  df-ppi 23101
This theorem is referenced by:  vmadivsumb  23396  rpvmasumlem  23400  vmalogdivsum2  23451  vmalogdivsum  23452  2vmadivsumlem  23453  selberg3lem1  23470  selberg4lem1  23473  pntrsumo1  23478  selbergr  23481
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