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

Theorem harmonic 14430
Description: The harmonic series 𝐻 diverges. This fact follows from the stronger emcl 24529, which establishes that the harmonic series grows as log𝑛 + γ + o(1), but this uses a more elementary method, attributed to Nicole Oresme (1323-1382). This is Metamath 100 proof #34. (Contributed by Mario Carneiro, 11-Jul-2014.)
Hypotheses
Ref Expression
harmonic.1 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (1 / 𝑛))
harmonic.2 𝐻 = seq1( + , 𝐹)
Assertion
Ref Expression
harmonic ¬ 𝐻 ∈ dom ⇝

Proof of Theorem harmonic
Dummy variables 𝑘 𝑗 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nn0uz 11598 . . . 4 0 = (ℤ‘0)
2 0zd 11266 . . . 4 (𝐻 ∈ dom ⇝ → 0 ∈ ℤ)
3 1ex 9914 . . . . . 6 1 ∈ V
43fvconst2 6374 . . . . 5 (𝑘 ∈ ℕ0 → ((ℕ0 × {1})‘𝑘) = 1)
54adantl 481 . . . 4 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((ℕ0 × {1})‘𝑘) = 1)
6 1red 9934 . . . 4 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → 1 ∈ ℝ)
7 harmonic.2 . . . . . . 7 𝐻 = seq1( + , 𝐹)
87eleq1i 2679 . . . . . 6 (𝐻 ∈ dom ⇝ ↔ seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ )
98biimpi 205 . . . . 5 (𝐻 ∈ dom ⇝ → seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ )
10 oveq2 6557 . . . . . . . . 9 (𝑛 = 𝑘 → (1 / 𝑛) = (1 / 𝑘))
11 harmonic.1 . . . . . . . . 9 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (1 / 𝑛))
12 ovex 6577 . . . . . . . . 9 (1 / 𝑘) ∈ V
1310, 11, 12fvmpt 6191 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ → (𝐹𝑘) = (1 / 𝑘))
14 nnrecre 10934 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ → (1 / 𝑘) ∈ ℝ)
1513, 14eqeltrd 2688 . . . . . . 7 (𝑘 ∈ ℕ → (𝐹𝑘) ∈ ℝ)
1615adantl 481 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹𝑘) ∈ ℝ)
17 nnrp 11718 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℝ+)
1817rpreccld 11758 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ ℕ → (1 / 𝑘) ∈ ℝ+)
1918rpge0d 11752 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ → 0 ≤ (1 / 𝑘))
2019, 13breqtrrd 4611 . . . . . . 7 (𝑘 ∈ ℕ → 0 ≤ (𝐹𝑘))
2120adantl 481 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → 0 ≤ (𝐹𝑘))
22 nnre 10904 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℝ)
2322lep1d 10834 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ≤ (𝑘 + 1))
24 nngt0 10926 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ ℕ → 0 < 𝑘)
25 peano2re 10088 . . . . . . . . . . 11 (𝑘 ∈ ℝ → (𝑘 + 1) ∈ ℝ)
2622, 25syl 17 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ ℕ → (𝑘 + 1) ∈ ℝ)
27 peano2nn 10909 . . . . . . . . . . 11 (𝑘 ∈ ℕ → (𝑘 + 1) ∈ ℕ)
2827nngt0d 10941 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ ℕ → 0 < (𝑘 + 1))
29 lerec 10785 . . . . . . . . . 10 (((𝑘 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑘) ∧ ((𝑘 + 1) ∈ ℝ ∧ 0 < (𝑘 + 1))) → (𝑘 ≤ (𝑘 + 1) ↔ (1 / (𝑘 + 1)) ≤ (1 / 𝑘)))
3022, 24, 26, 28, 29syl22anc 1319 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ ℕ → (𝑘 ≤ (𝑘 + 1) ↔ (1 / (𝑘 + 1)) ≤ (1 / 𝑘)))
3123, 30mpbid 221 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ → (1 / (𝑘 + 1)) ≤ (1 / 𝑘))
32 oveq2 6557 . . . . . . . . . 10 (𝑛 = (𝑘 + 1) → (1 / 𝑛) = (1 / (𝑘 + 1)))
33 ovex 6577 . . . . . . . . . 10 (1 / (𝑘 + 1)) ∈ V
3432, 11, 33fvmpt 6191 . . . . . . . . 9 ((𝑘 + 1) ∈ ℕ → (𝐹‘(𝑘 + 1)) = (1 / (𝑘 + 1)))
3527, 34syl 17 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ ℕ → (𝐹‘(𝑘 + 1)) = (1 / (𝑘 + 1)))
3631, 35, 133brtr4d 4615 . . . . . . 7 (𝑘 ∈ ℕ → (𝐹‘(𝑘 + 1)) ≤ (𝐹𝑘))
3736adantl 481 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘(𝑘 + 1)) ≤ (𝐹𝑘))
38 oveq2 6557 . . . . . . . . 9 (𝑘 = 𝑗 → (2↑𝑘) = (2↑𝑗))
3938fveq2d 6107 . . . . . . . . 9 (𝑘 = 𝑗 → (𝐹‘(2↑𝑘)) = (𝐹‘(2↑𝑗)))
4038, 39oveq12d 6567 . . . . . . . 8 (𝑘 = 𝑗 → ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘))) = ((2↑𝑗) · (𝐹‘(2↑𝑗))))
41 fconstmpt 5085 . . . . . . . . 9 (ℕ0 × {1}) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ 1)
42 2nn 11062 . . . . . . . . . . . . . 14 2 ∈ ℕ
43 nnexpcl 12735 . . . . . . . . . . . . . 14 ((2 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (2↑𝑘) ∈ ℕ)
4442, 43mpan 702 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑘 ∈ ℕ0 → (2↑𝑘) ∈ ℕ)
45 oveq2 6557 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑛 = (2↑𝑘) → (1 / 𝑛) = (1 / (2↑𝑘)))
46 ovex 6577 . . . . . . . . . . . . . 14 (1 / (2↑𝑘)) ∈ V
4745, 11, 46fvmpt 6191 . . . . . . . . . . . . 13 ((2↑𝑘) ∈ ℕ → (𝐹‘(2↑𝑘)) = (1 / (2↑𝑘)))
4844, 47syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝑘 ∈ ℕ0 → (𝐹‘(2↑𝑘)) = (1 / (2↑𝑘)))
4948oveq2d 6565 . . . . . . . . . . 11 (𝑘 ∈ ℕ0 → ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘))) = ((2↑𝑘) · (1 / (2↑𝑘))))
50 nncn 10905 . . . . . . . . . . . . 13 ((2↑𝑘) ∈ ℕ → (2↑𝑘) ∈ ℂ)
51 nnne0 10930 . . . . . . . . . . . . 13 ((2↑𝑘) ∈ ℕ → (2↑𝑘) ≠ 0)
5250, 51recidd 10675 . . . . . . . . . . . 12 ((2↑𝑘) ∈ ℕ → ((2↑𝑘) · (1 / (2↑𝑘))) = 1)
5344, 52syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝑘 ∈ ℕ0 → ((2↑𝑘) · (1 / (2↑𝑘))) = 1)
5449, 53eqtrd 2644 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ ℕ0 → ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘))) = 1)
5554mpteq2ia 4668 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘)))) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ 1)
5641, 55eqtr4i 2635 . . . . . . . 8 (ℕ0 × {1}) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((2↑𝑘) · (𝐹‘(2↑𝑘))))
57 ovex 6577 . . . . . . . 8 ((2↑𝑗) · (𝐹‘(2↑𝑗))) ∈ V
5840, 56, 57fvmpt 6191 . . . . . . 7 (𝑗 ∈ ℕ0 → ((ℕ0 × {1})‘𝑗) = ((2↑𝑗) · (𝐹‘(2↑𝑗))))
5958adantl 481 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((ℕ0 × {1})‘𝑗) = ((2↑𝑗) · (𝐹‘(2↑𝑗))))
6016, 21, 37, 59climcnds 14422 . . . . 5 (𝐻 ∈ dom ⇝ → (seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ ↔ seq0( + , (ℕ0 × {1})) ∈ dom ⇝ ))
619, 60mpbid 221 . . . 4 (𝐻 ∈ dom ⇝ → seq0( + , (ℕ0 × {1})) ∈ dom ⇝ )
621, 2, 5, 6, 61isumrecl 14338 . . 3 (𝐻 ∈ dom ⇝ → Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ∈ ℝ)
63 arch 11166 . . 3 𝑘 ∈ ℕ0 1 ∈ ℝ → ∃𝑗 ∈ ℕ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗)
6462, 63syl 17 . 2 (𝐻 ∈ dom ⇝ → ∃𝑗 ∈ ℕ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗)
65 fzfid 12634 . . . . . . 7 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (1...𝑗) ∈ Fin)
66 ax-1cn 9873 . . . . . . 7 1 ∈ ℂ
67 fsumconst 14364 . . . . . . 7 (((1...𝑗) ∈ Fin ∧ 1 ∈ ℂ) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑗)1 = ((#‘(1...𝑗)) · 1))
6865, 66, 67sylancl 693 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑗)1 = ((#‘(1...𝑗)) · 1))
69 nnnn0 11176 . . . . . . . . 9 (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℕ0)
7069adantl 481 . . . . . . . 8 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ∈ ℕ0)
71 hashfz1 12996 . . . . . . . 8 (𝑗 ∈ ℕ0 → (#‘(1...𝑗)) = 𝑗)
7270, 71syl 17 . . . . . . 7 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (#‘(1...𝑗)) = 𝑗)
7372oveq1d 6564 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → ((#‘(1...𝑗)) · 1) = (𝑗 · 1))
74 nncn 10905 . . . . . . . 8 (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℂ)
7574adantl 481 . . . . . . 7 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ∈ ℂ)
7675mulid1d 9936 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝑗 · 1) = 𝑗)
7768, 73, 763eqtrd 2648 . . . . 5 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑗)1 = 𝑗)
78 0zd 11266 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 0 ∈ ℤ)
79 elfznn 12241 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ (1...𝑗) → 𝑘 ∈ ℕ)
80 nnnn0 11176 . . . . . . . . 9 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ ℕ0)
8179, 80syl 17 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ (1...𝑗) → 𝑘 ∈ ℕ0)
8281ssriv 3572 . . . . . . 7 (1...𝑗) ⊆ ℕ0
8382a1i 11 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (1...𝑗) ⊆ ℕ0)
844adantl 481 . . . . . 6 (((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((ℕ0 × {1})‘𝑘) = 1)
85 1red 9934 . . . . . 6 (((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → 1 ∈ ℝ)
86 0le1 10430 . . . . . . 7 0 ≤ 1
8786a1i 11 . . . . . 6 (((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → 0 ≤ 1)
8861adantr 480 . . . . . 6 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → seq0( + , (ℕ0 × {1})) ∈ dom ⇝ )
891, 78, 65, 83, 84, 85, 87, 88isumless 14416 . . . . 5 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑗)1 ≤ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1)
9077, 89eqbrtrrd 4607 . . . 4 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ≤ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1)
91 nnre 10904 . . . . 5 (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℝ)
92 lenlt 9995 . . . . 5 ((𝑗 ∈ ℝ ∧ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ∈ ℝ) → (𝑗 ≤ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ↔ ¬ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗))
9391, 62, 92syl2anr 494 . . . 4 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝑗 ≤ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 ↔ ¬ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗))
9490, 93mpbid 221 . . 3 ((𝐻 ∈ dom ⇝ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → ¬ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗)
9594nrexdv 2984 . 2 (𝐻 ∈ dom ⇝ → ¬ ∃𝑗 ∈ ℕ Σ𝑘 ∈ ℕ0 1 < 𝑗)
9664, 95pm2.65i 184 1 ¬ 𝐻 ∈ dom ⇝
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  ¬ wn 3  wb 195  wa 383   = wceq 1475  wcel 1977  wrex 2897  wss 3540  {csn 4125   class class class wbr 4583  cmpt 4643   × cxp 5036  dom cdm 5038  cfv 5804  (class class class)co 6549  Fincfn 7841  cc 9813  cr 9814  0cc0 9815  1c1 9816   + caddc 9818   · cmul 9820   < clt 9953  cle 9954   / cdiv 10563  cn 10897  2c2 10947  0cn0 11169  ...cfz 12197  seqcseq 12663  cexp 12722  #chash 12979  cli 14063  Σcsu 14264
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1713  ax-4 1728  ax-5 1827  ax-6 1875  ax-7 1922  ax-8 1979  ax-9 1986  ax-10 2006  ax-11 2021  ax-12 2034  ax-13 2234  ax-ext 2590  ax-rep 4699  ax-sep 4709  ax-nul 4717  ax-pow 4769  ax-pr 4833  ax-un 6847  ax-inf2 8421  ax-cnex 9871  ax-resscn 9872  ax-1cn 9873  ax-icn 9874  ax-addcl 9875  ax-addrcl 9876  ax-mulcl 9877  ax-mulrcl 9878  ax-mulcom 9879  ax-addass 9880  ax-mulass 9881  ax-distr 9882  ax-i2m1 9883  ax-1ne0 9884  ax-1rid 9885  ax-rnegex 9886  ax-rrecex 9887  ax-cnre 9888  ax-pre-lttri 9889  ax-pre-lttrn 9890  ax-pre-ltadd 9891  ax-pre-mulgt0 9892  ax-pre-sup 9893
This theorem depends on definitions:  df-bi 196  df-or 384  df-an 385  df-3or 1032  df-3an 1033  df-tru 1478  df-fal 1481  df-ex 1696  df-nf 1701  df-sb 1868  df-eu 2462  df-mo 2463  df-clab 2597  df-cleq 2603  df-clel 2606  df-nfc 2740  df-ne 2782  df-nel 2783  df-ral 2901  df-rex 2902  df-reu 2903  df-rmo 2904  df-rab 2905  df-v 3175  df-sbc 3403  df-csb 3500  df-dif 3543  df-un 3545  df-in 3547  df-ss 3554  df-pss 3556  df-nul 3875  df-if 4037  df-pw 4110  df-sn 4126  df-pr 4128  df-tp 4130  df-op 4132  df-uni 4373  df-int 4411  df-iun 4457  df-br 4584  df-opab 4644  df-mpt 4645  df-tr 4681  df-eprel 4949  df-id 4953  df-po 4959  df-so 4960  df-fr 4997  df-se 4998  df-we 4999  df-xp 5044  df-rel 5045  df-cnv 5046  df-co 5047  df-dm 5048  df-rn 5049  df-res 5050  df-ima 5051  df-pred 5597  df-ord 5643  df-on 5644  df-lim 5645  df-suc 5646  df-iota 5768  df-fun 5806  df-fn 5807  df-f 5808  df-f1 5809  df-fo 5810  df-f1o 5811  df-fv 5812  df-isom 5813  df-riota 6511  df-ov 6552  df-oprab 6553  df-mpt2 6554  df-om 6958  df-1st 7059  df-2nd 7060  df-wrecs 7294  df-recs 7355  df-rdg 7393  df-1o 7447  df-oadd 7451  df-er 7629  df-pm 7747  df-en 7842  df-dom 7843  df-sdom 7844  df-fin 7845  df-sup 8231  df-inf 8232  df-oi 8298  df-card 8648  df-cda 8873  df-pnf 9955  df-mnf 9956  df-xr 9957  df-ltxr 9958  df-le 9959  df-sub 10147  df-neg 10148  df-div 10564  df-nn 10898  df-2 10956  df-3 10957  df-n0 11170  df-z 11255  df-uz 11564  df-rp 11709  df-ico 12052  df-fz 12198  df-fzo 12335  df-fl 12455  df-seq 12664  df-exp 12723  df-hash 12980  df-cj 13687  df-re 13688  df-im 13689  df-sqrt 13823  df-abs 13824  df-clim 14067  df-rlim 14068  df-sum 14265
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator