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Theorem facdiv 12267
Description: A positive integer divides the factorial of an equal or larger number. (Contributed by NM, 2-May-2005.)
Assertion
Ref Expression
facdiv  |-  ( ( M  e.  NN0  /\  N  e.  NN  /\  N  <_  M )  ->  (
( ! `  M
)  /  N )  e.  NN )

Proof of Theorem facdiv
Dummy variables  j 
k are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 breq2 4371 . . . . 5  |-  ( j  =  0  ->  ( N  <_  j  <->  N  <_  0 ) )
2 fveq2 5774 . . . . . . 7  |-  ( j  =  0  ->  ( ! `  j )  =  ( ! ` 
0 ) )
32oveq1d 6211 . . . . . 6  |-  ( j  =  0  ->  (
( ! `  j
)  /  N )  =  ( ( ! `
 0 )  /  N ) )
43eleq1d 2451 . . . . 5  |-  ( j  =  0  ->  (
( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN  <->  ( ( ! `  0 )  /  N )  e.  NN ) )
51, 4imbi12d 318 . . . 4  |-  ( j  =  0  ->  (
( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN )  <-> 
( N  <_  0  ->  ( ( ! ` 
0 )  /  N
)  e.  NN ) ) )
65imbi2d 314 . . 3  |-  ( j  =  0  ->  (
( N  e.  NN  ->  ( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN ) )  <->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  0  ->  ( ( ! `  0 )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7 breq2 4371 . . . . 5  |-  ( j  =  k  ->  ( N  <_  j  <->  N  <_  k ) )
8 fveq2 5774 . . . . . . 7  |-  ( j  =  k  ->  ( ! `  j )  =  ( ! `  k ) )
98oveq1d 6211 . . . . . 6  |-  ( j  =  k  ->  (
( ! `  j
)  /  N )  =  ( ( ! `
 k )  /  N ) )
109eleq1d 2451 . . . . 5  |-  ( j  =  k  ->  (
( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN  <->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN ) )
117, 10imbi12d 318 . . . 4  |-  ( j  =  k  ->  (
( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN )  <-> 
( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN ) ) )
1211imbi2d 314 . . 3  |-  ( j  =  k  ->  (
( N  e.  NN  ->  ( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN ) )  <->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
13 breq2 4371 . . . . 5  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  ( N  <_  j  <->  N  <_  ( k  +  1 ) ) )
14 fveq2 5774 . . . . . . 7  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  ( ! `  j )  =  ( ! `  ( k  +  1 ) ) )
1514oveq1d 6211 . . . . . 6  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ! `  j
)  /  N )  =  ( ( ! `
 ( k  +  1 ) )  /  N ) )
1615eleq1d 2451 . . . . 5  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN  <->  ( ( ! `  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
1713, 16imbi12d 318 . . . 4  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  (
( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN )  <-> 
( N  <_  (
k  +  1 )  ->  ( ( ! `
 ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) )
1817imbi2d 314 . . 3  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  (
( N  e.  NN  ->  ( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN ) )  <->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  ( k  +  1 )  ->  ( ( ! `  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
19 breq2 4371 . . . . 5  |-  ( j  =  M  ->  ( N  <_  j  <->  N  <_  M ) )
20 fveq2 5774 . . . . . . 7  |-  ( j  =  M  ->  ( ! `  j )  =  ( ! `  M ) )
2120oveq1d 6211 . . . . . 6  |-  ( j  =  M  ->  (
( ! `  j
)  /  N )  =  ( ( ! `
 M )  /  N ) )
2221eleq1d 2451 . . . . 5  |-  ( j  =  M  ->  (
( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN  <->  ( ( ! `  M )  /  N )  e.  NN ) )
2319, 22imbi12d 318 . . . 4  |-  ( j  =  M  ->  (
( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN )  <-> 
( N  <_  M  ->  ( ( ! `  M )  /  N
)  e.  NN ) ) )
2423imbi2d 314 . . 3  |-  ( j  =  M  ->  (
( N  e.  NN  ->  ( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN ) )  <->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  M  ->  ( ( ! `  M )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
25 nngt0 10481 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  0  <  N )
26 0re 9507 . . . . . 6  |-  0  e.  RR
27 nnre 10459 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  RR )
28 ltnle 9575 . . . . . 6  |-  ( ( 0  e.  RR  /\  N  e.  RR )  ->  ( 0  <  N  <->  -.  N  <_  0 ) )
2926, 27, 28sylancr 661 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
0  <  N  <->  -.  N  <_  0 ) )
3025, 29mpbid 210 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  -.  N  <_  0 )
3130pm2.21d 106 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  0  ->  (
( ! `  0
)  /  N )  e.  NN ) )
32 peano2nn0 10753 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( k  +  1 )  e. 
NN0 )
3332nn0red 10770 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( k  +  1 )  e.  RR )
34 leloe 9582 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( N  e.  RR  /\  ( k  +  1 )  e.  RR )  ->  ( N  <_ 
( k  +  1 )  <->  ( N  < 
( k  +  1 )  \/  N  =  ( k  +  1 ) ) ) )
3527, 33, 34syl2an 475 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  (
k  +  1 )  <-> 
( N  <  (
k  +  1 )  \/  N  =  ( k  +  1 ) ) ) )
36 nnnn0 10719 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  NN0 )
37 nn0leltp1 10839 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( N  e.  NN0  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  k  <->  N  <  ( k  +  1 ) ) )
3836, 37sylan 469 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  k  <->  N  <  ( k  +  1 ) ) )
39 nn0p1nn 10752 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( k  +  1 )  e.  NN )
40 nnmulcl 10475 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( ( ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN  /\  ( k  +  1 )  e.  NN )  ->  ( ( ( ! `  k )  /  N )  x.  ( k  +  1 ) )  e.  NN )
4139, 40sylan2 472 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  /  N )  x.  (
k  +  1 ) )  e.  NN )
4241expcom 433 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( ( ! `  k
)  /  N )  e.  NN  ->  (
( ( ! `  k )  /  N
)  x.  ( k  +  1 ) )  e.  NN ) )
4342adantl 464 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  /  N )  e.  NN  ->  ( ( ( ! `
 k )  /  N )  x.  (
k  +  1 ) )  e.  NN ) )
44 faccl 12265 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ! `
 k )  e.  NN )
4544nncnd 10468 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ! `
 k )  e.  CC )
4645adantl 464 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ! `  k
)  e.  CC )
4732nn0cnd 10771 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( k  +  1 )  e.  CC )
4847adantl 464 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( k  +  1 )  e.  CC )
49 nncn 10460 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  CC )
50 nnne0 10485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20  |-  ( N  e.  NN  ->  N  =/=  0 )
5149, 50jca 530 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  e.  CC  /\  N  =/=  0 ) )
5251adantr 463 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  e.  CC  /\  N  =/=  0 ) )
53 div23 10143 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( ( ! `  k
)  e.  CC  /\  ( k  +  1 )  e.  CC  /\  ( N  e.  CC  /\  N  =/=  0 ) )  ->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  =  ( ( ( ! `
 k )  /  N )  x.  (
k  +  1 ) ) )
5446, 48, 52, 53syl3anc 1226 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  =  ( ( ( ! `  k
)  /  N )  x.  ( k  +  1 ) ) )
5554eleq1d 2451 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN  <->  ( ( ( ! `  k )  /  N
)  x.  ( k  +  1 ) )  e.  NN ) )
5643, 55sylibrd 234 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  /  N )  e.  NN  ->  ( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  e.  NN ) )
5756imim2d 52 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  ->  ( N  <_ 
k  ->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) )
5857com23 78 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  k  ->  ( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  ->  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) )
5938, 58sylbird 235 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <  (
k  +  1 )  ->  ( ( N  <_  k  ->  (
( ! `  k
)  /  N )  e.  NN )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  e.  NN ) ) )
6049adantr 463 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  ->  N  e.  CC )
6150adantr 463 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  ->  N  =/=  0 )
6246, 60, 61divcan4d 10243 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  N )  /  N
)  =  ( ! `
 k ) )
6344adantl 464 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ! `  k
)  e.  NN )
6462, 63eqeltrd 2470 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  N )  /  N
)  e.  NN )
65 oveq2 6204 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( N  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ! `  k
)  x.  N )  =  ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) ) )
6665oveq1d 6211 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( N  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ( ! `  k )  x.  N
)  /  N )  =  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N ) )
6766eleq1d 2451 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( N  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ( ( ! `
 k )  x.  N )  /  N
)  e.  NN  <->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
6864, 67syl5ibcom 220 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  =  ( k  +  1 )  ->  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
6968a1dd 46 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  =  ( k  +  1 )  ->  ( ( N  <_  k  ->  (
( ! `  k
)  /  N )  e.  NN )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  e.  NN ) ) )
7059, 69jaod 378 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( N  < 
( k  +  1 )  \/  N  =  ( k  +  1 ) )  ->  (
( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN )  ->  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) )
7135, 70sylbid 215 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  (
k  +  1 )  ->  ( ( N  <_  k  ->  (
( ! `  k
)  /  N )  e.  NN )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  e.  NN ) ) )
7271ex 432 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  (
k  e.  NN0  ->  ( N  <_  ( k  +  1 )  -> 
( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  ->  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7372com34 83 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
k  e.  NN0  ->  ( ( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN )  ->  ( N  <_ 
( k  +  1 )  ->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7473com12 31 . . . . . . 7  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( N  e.  NN  ->  (
( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN )  ->  ( N  <_ 
( k  +  1 )  ->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7574imp4d 590 . . . . . 6  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( N  e.  NN  /\  ( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  /\  N  <_  (
k  +  1 ) ) )  ->  (
( ( ! `  k )  x.  (
k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
76 facp1 12260 . . . . . . . 8  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ! `
 ( k  +  1 ) )  =  ( ( ! `  k )  x.  (
k  +  1 ) ) )
7776oveq1d 6211 . . . . . . 7  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( ! `  ( k  +  1 ) )  /  N )  =  ( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
) )
7877eleq1d 2451 . . . . . 6  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( ( ! `  (
k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN  <->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
7975, 78sylibrd 234 . . . . 5  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( N  e.  NN  /\  ( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  /\  N  <_  (
k  +  1 ) ) )  ->  (
( ! `  (
k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
8079exp4d 607 . . . 4  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( N  e.  NN  ->  (
( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN )  ->  ( N  <_ 
( k  +  1 )  ->  ( ( ! `  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
8180a2d 26 . . 3  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k
)  /  N )  e.  NN ) )  ->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  ( k  +  1 )  ->  ( ( ! `  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
826, 12, 18, 24, 31, 81nn0ind 10874 . 2  |-  ( M  e.  NN0  ->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  M  ->  (
( ! `  M
)  /  N )  e.  NN ) ) )
83823imp 1188 1  |-  ( ( M  e.  NN0  /\  N  e.  NN  /\  N  <_  M )  ->  (
( ! `  M
)  /  N )  e.  NN )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:   -. wn 3    -> wi 4    <-> wb 184    \/ wo 366    /\ wa 367    /\ w3a 971    = wceq 1399    e. wcel 1826    =/= wne 2577   class class class wbr 4367   ` cfv 5496  (class class class)co 6196   CCcc 9401   RRcr 9402   0cc0 9403   1c1 9404    + caddc 9406    x. cmul 9408    < clt 9539    <_ cle 9540    / cdiv 10123   NNcn 10452   NN0cn0 10712   !cfa 12255
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1626  ax-4 1639  ax-5 1712  ax-6 1755  ax-7 1798  ax-8 1828  ax-9 1830  ax-10 1845  ax-11 1850  ax-12 1862  ax-13 2006  ax-ext 2360  ax-sep 4488  ax-nul 4496  ax-pow 4543  ax-pr 4601  ax-un 6491  ax-cnex 9459  ax-resscn 9460  ax-1cn 9461  ax-icn 9462  ax-addcl 9463  ax-addrcl 9464  ax-mulcl 9465  ax-mulrcl 9466  ax-mulcom 9467  ax-addass 9468  ax-mulass 9469  ax-distr 9470  ax-i2m1 9471  ax-1ne0 9472  ax-1rid 9473  ax-rnegex 9474  ax-rrecex 9475  ax-cnre 9476  ax-pre-lttri 9477  ax-pre-lttrn 9478  ax-pre-ltadd 9479  ax-pre-mulgt0 9480
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 368  df-an 369  df-3or 972  df-3an 973  df-tru 1402  df-ex 1621  df-nf 1625  df-sb 1748  df-eu 2222  df-mo 2223  df-clab 2368  df-cleq 2374  df-clel 2377  df-nfc 2532  df-ne 2579  df-nel 2580  df-ral 2737  df-rex 2738  df-reu 2739  df-rmo 2740  df-rab 2741  df-v 3036  df-sbc 3253  df-csb 3349  df-dif 3392  df-un 3394  df-in 3396  df-ss 3403  df-pss 3405  df-nul 3712  df-if 3858  df-pw 3929  df-sn 3945  df-pr 3947  df-tp 3949  df-op 3951  df-uni 4164  df-iun 4245  df-br 4368  df-opab 4426  df-mpt 4427  df-tr 4461  df-eprel 4705  df-id 4709  df-po 4714  df-so 4715  df-fr 4752  df-we 4754  df-ord 4795  df-on 4796  df-lim 4797  df-suc 4798  df-xp 4919  df-rel 4920  df-cnv 4921  df-co 4922  df-dm 4923  df-rn 4924  df-res 4925  df-ima 4926  df-iota 5460  df-fun 5498  df-fn 5499  df-f 5500  df-f1 5501  df-fo 5502  df-f1o 5503  df-fv 5504  df-riota 6158  df-ov 6199  df-oprab 6200  df-mpt2 6201  df-om 6600  df-2nd 6700  df-recs 6960  df-rdg 6994  df-er 7229  df-en 7436  df-dom 7437  df-sdom 7438  df-pnf 9541  df-mnf 9542  df-xr 9543  df-ltxr 9544  df-le 9545  df-sub 9720  df-neg 9721  df-div 10124  df-nn 10453  df-n0 10713  df-z 10782  df-uz 11002  df-seq 12011  df-fac 12256
This theorem is referenced by:  facndiv  12268  eirrlem  13939
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