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Datei: ln_series.pvs   Sprache: PVS

Original von: PVS©

ln_series: THEORY
%----------------------------------------------------------------------------
%
%  Series Expansion for Natural Logarithm Function
%
%  Author: Ricky W. Butler              NASA Langley Research Center
%
%          September 2012 by Anthony Narkawicz (Series is Increasing)
%  Note.  See ln_exp_series_alt for an alternate formulation
%----------------------------------------------------------------------------
BEGIN
   IMPORTING  ln_exp,
              series@taylor_series, 
              convergence_special

   x,y: VAR real
   n,m: VAR nat
   a: VAR sequence[real]
   l,t: VAR real

   abslt1: TYPE = {x: real | abs(x) < 1}
   absle1: TYPE = {x: real | abs(x) <=1}

   noa_posreal: LEMMA not_one_element?[posreal]
   noa_gt_m1 : LEMMA not_one_element?[{x: real | x > -1}]
   conn_gt_m1: LEMMA connected?[{x: real | x > -1}]
   conn_posreal: LEMMA connected?[posreal]
   conn_abslt1: LEMMA connected?[abslt1]
   noa_abslt1: LEMMA not_one_element?[abslt1]
   deriv_domain_gtm1: LEMMA deriv_domain?[{x: real | x > -1}]

   AUTO_REWRITE+ noa_gt_m1 
   AUTO_REWRITE+ conn_gt_m1
   AUTO_REWRITE+ noa_posreal
   AUTO_REWRITE+ deriv_domain_posreal
   AUTO_REWRITE+ conn_posreal
   AUTO_REWRITE+ deriv_domain_gtm1
   AUTO_REWRITE+ conn_abslt1
   AUTO_REWRITE+ noa_abslt1

   nderiv_ln  : LEMMA derivable_n_times?[posreal](ln, n)

   ln_nderiv  : LEMMA nderiv[posreal](n,ln) = IF n = 0 THEN ln ELSE 
                        (LAMBDA (x:posreal): -factorial(n-1)/(-x)^n) ENDIF

   IMPORTING series@taylor_series[abslt1] 

   Gt_m1: TYPE = {x:real | x > -1}
   xgm1:  VAR Gt_m1

   ln_estimate(x:real,n:nat):real = 
         sigma(0,n,(LAMBDA (nn:nat): IF nn=0 THEN 0 ELSE -(-x)^nn/nn ENDIF))

   ln_taylors:     LEMMA EXISTS (c: between[{x:real | x > -1}](1,1+xgm1)):
                     ln(xgm1+1) = ln_estimate(xgm1,n) -(xgm1/-c)^(n+1)/(n+1)

   ln_estimate_error_bound: LEMMA FORALL (xp:posreal):
     abs(ln(xp+1)-ln_estimate(xp,n)) <= xp ^ (n + 1) / (n + 1)

%   --- Series for log(1+x) follows from term-by-term integration
%   --- of 1/(1+x) = 1 - x + x^2 - x^3.  Using term-by-term
%   --- in power_series_integ, we can use proof in Rosenlicht
%   --- page 155 or Salas-Hille pg 466 to get log(1+x) series for abs(x) < 1
%   --- Also use corollary 3 on pg 128 of Rosenlicht to establish that
%   --- ln(1+x) = integral(1,1+x,1/t) = integral(0,x,1/(1+t))
%

   IMPORTING analysis@integral_chg_var,
             reals@abs_lems,
             analysis@integral_diff_doms

   x1: VAR abslt1

   lnp1: LEMMA ln(1+x1) = Integral(1,1+x1,(LAMBDA (t: posreal): 1/t)) 

   ln_estimate_increasing_odd: LEMMA FORALL (px,py:real):
     px<=py IMPLIES ln_estimate(px,2*n+1)<=ln_estimate(py,2*n+1)

   ln_estimate_increasing_even: LEMMA FORALL (x1,y1:absle1):
     x1<=y1 IMPLIES ln_estimate(x1,2*n)<=ln_estimate(y1,2*n)

   lnp1_prep: LEMMA  Integrable?(0,x1,(LAMBDA (u: Gt_m1): 1/(u+1))) AND
                       Integral(1,1+x1,(LAMBDA (t: posreal): 1/t)) = 
                       Integral(0,x1,(LAMBDA (u: Gt_m1): 1/(u+1)))

    geom_neg: LEMMA abs(x) < 1 IMPLIES 
                               convergent?(series(LAMBDA n: (-x) ^ n))  AND
                               1/(1+x) = inf_sum((LAMBDA n: (-x)^n))

    lnp1(x: abslt1): real = ln(1+x)

    lnp1_seq(n): real = IF n = 0 THEN 0 ELSE (-1)^(n+1)/n ENDIF

    IMPORTING series@power_series_integ

    lnp1_conv: LEMMA conv_powerseries?[abslt1](lnp1_seq)

    int_geo_prep: LEMMA Integrable?(0,x1,(LAMBDA (u: abslt1): 1 / (1 + u)))

%   ----- ln(1 + x) = x - x^2/2 + x^3/3 - x^4/4 + .... if |x| < 1 -----

    int_geo_neg: LEMMA conv_powerseries?[abslt1](lnp1_seq) AND
                       Integral(0,x1,(LAMBDA (u: {x:real | x > -1}): 1/(u+1))) 
                          = Inf_sum(lnp1_seq)(x1)  % inf Sum - (-1)^n/n x^n


END ln_series


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