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Theorem subfaclim 24827
Description: The subfactorial converges rapidly to  N !  /  _e. (Contributed by Mario Carneiro, 23-Jan-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
derang.d  |-  D  =  ( x  e.  Fin  |->  ( # `  { f  |  ( f : x -1-1-onto-> x  /\  A. y  e.  x  ( f `  y )  =/=  y
) } ) )
subfac.n  |-  S  =  ( n  e.  NN0  |->  ( D `  ( 1 ... n ) ) )
Assertion
Ref Expression
subfaclim  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  ( ( ( ! `  N )  /  _e )  -  ( S `  N ) ) )  <  (
1  /  N ) )
Distinct variable groups:    f, n, x, y, N    D, n    S, n, x, y
Allowed substitution hints:    D( x, y, f)    S( f)

Proof of Theorem subfaclim
Dummy variable  k is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nnnn0 10184 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  NN0 )
2 faccl 11531 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN0  ->  ( ! `
 N )  e.  NN )
31, 2syl 16 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  ( ! `  N )  e.  NN )
43nncnd 9972 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( ! `  N )  e.  CC )
5 ere 12646 . . . . . . 7  |-  _e  e.  RR
65recni 9058 . . . . . 6  |-  _e  e.  CC
7 epos 12761 . . . . . . 7  |-  0  <  _e
85, 7gt0ne0ii 9519 . . . . . 6  |-  _e  =/=  0
9 divcl 9640 . . . . . 6  |-  ( ( ( ! `  N
)  e.  CC  /\  _e  e.  CC  /\  _e  =/=  0 )  ->  (
( ! `  N
)  /  _e )  e.  CC )
106, 8, 9mp3an23 1271 . . . . 5  |-  ( ( ! `  N )  e.  CC  ->  (
( ! `  N
)  /  _e )  e.  CC )
114, 10syl 16 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  /  _e )  e.  CC )
12 derang.d . . . . . . . 8  |-  D  =  ( x  e.  Fin  |->  ( # `  { f  |  ( f : x -1-1-onto-> x  /\  A. y  e.  x  ( f `  y )  =/=  y
) } ) )
13 subfac.n . . . . . . . 8  |-  S  =  ( n  e.  NN0  |->  ( D `  ( 1 ... n ) ) )
1412, 13subfacf 24814 . . . . . . 7  |-  S : NN0
--> NN0
1514ffvelrni 5828 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN0  ->  ( S `
 N )  e. 
NN0 )
161, 15syl 16 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( S `  N )  e.  NN0 )
1716nn0cnd 10232 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  ( S `  N )  e.  CC )
1811, 17subcld 9367 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ! `  N )  /  _e )  -  ( S `  N ) )  e.  CC )
1918abscld 12193 . 2  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  ( ( ( ! `  N )  /  _e )  -  ( S `  N ) ) )  e.  RR )
20 peano2nn 9968 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  +  1 )  e.  NN )
2120peano2nnd 9973 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  +  1 )  e.  NN )
2221nnred 9971 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  +  1 )  e.  RR )
2320, 20nnmulcld 10003 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  NN )
2422, 23nndivred 10004 . 2  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  e.  RR )
25 nnrecre 9992 . 2  |-  ( N  e.  NN  ->  (
1  /  N )  e.  RR )
26 eqid 2404 . . . . . 6  |-  ( n  e.  NN0  |->  ( (
-u 1 ^ n
)  /  ( ! `
 n ) ) )  =  ( n  e.  NN0  |->  ( (
-u 1 ^ n
)  /  ( ! `
 n ) ) )
27 eqid 2404 . . . . . 6  |-  ( n  e.  NN0  |->  ( ( ( abs `  -u 1
) ^ n )  /  ( ! `  n ) ) )  =  ( n  e. 
NN0  |->  ( ( ( abs `  -u 1
) ^ n )  /  ( ! `  n ) ) )
28 eqid 2404 . . . . . 6  |-  ( n  e.  NN0  |->  ( ( ( ( abs `  -u 1
) ^ ( N  +  1 ) )  /  ( ! `  ( N  +  1
) ) )  x.  ( ( 1  / 
( ( N  + 
1 )  +  1 ) ) ^ n
) ) )  =  ( n  e.  NN0  |->  ( ( ( ( abs `  -u 1
) ^ ( N  +  1 ) )  /  ( ! `  ( N  +  1
) ) )  x.  ( ( 1  / 
( ( N  + 
1 )  +  1 ) ) ^ n
) ) )
29 neg1cn 10023 . . . . . . 7  |-  -u 1  e.  CC
3029a1i 11 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  -u 1  e.  CC )
31 ax-1cn 9004 . . . . . . . . . 10  |-  1  e.  CC
3231absnegi 12158 . . . . . . . . 9  |-  ( abs `  -u 1 )  =  ( abs `  1
)
33 abs1 12057 . . . . . . . . 9  |-  ( abs `  1 )  =  1
3432, 33eqtri 2424 . . . . . . . 8  |-  ( abs `  -u 1 )  =  1
35 1le1 9606 . . . . . . . 8  |-  1  <_  1
3634, 35eqbrtri 4191 . . . . . . 7  |-  ( abs `  -u 1 )  <_ 
1
3736a1i 11 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  -u 1 )  <_ 
1 )
3826, 27, 28, 20, 30, 37eftlub 12665 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( n  e.  NN0  |->  ( ( -u 1 ^ n )  / 
( ! `  n
) ) ) `  k ) )  <_ 
( ( ( abs `  -u 1 ) ^
( N  +  1 ) )  x.  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) ) ) )
3920nnnn0d 10230 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  +  1 )  e.  NN0 )
40 eluznn0 10502 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( N  +  1 )  e.  NN0  /\  k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) )  -> 
k  e.  NN0 )
4139, 40sylan 458 . . . . . . . 8  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) )  -> 
k  e.  NN0 )
4226eftval 12634 . . . . . . . 8  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( n  e.  NN0  |->  ( (
-u 1 ^ n
)  /  ( ! `
 n ) ) ) `  k )  =  ( ( -u
1 ^ k )  /  ( ! `  k ) ) )
4341, 42syl 16 . . . . . . 7  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) )  -> 
( ( n  e. 
NN0  |->  ( ( -u
1 ^ n )  /  ( ! `  n ) ) ) `
 k )  =  ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) )
4443sumeq2dv 12452 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1 ) ) ( ( n  e. 
NN0  |->  ( ( -u
1 ^ n )  /  ( ! `  n ) ) ) `
 k )  = 
sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) )
4544fveq2d 5691 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( n  e.  NN0  |->  ( ( -u 1 ^ n )  / 
( ! `  n
) ) ) `  k ) )  =  ( abs `  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) ) )
4634oveq1i 6050 . . . . . . . 8  |-  ( ( abs `  -u 1
) ^ ( N  +  1 ) )  =  ( 1 ^ ( N  +  1 ) )
4720nnzd 10330 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  +  1 )  e.  ZZ )
48 1exp 11364 . . . . . . . . 9  |-  ( ( N  +  1 )  e.  ZZ  ->  (
1 ^ ( N  +  1 ) )  =  1 )
4947, 48syl 16 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
1 ^ ( N  +  1 ) )  =  1 )
5046, 49syl5eq 2448 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( abs `  -u 1
) ^ ( N  +  1 ) )  =  1 )
5150oveq1d 6055 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( abs `  -u 1
) ^ ( N  +  1 ) )  x.  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  / 
( ( ! `  ( N  +  1
) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )  =  ( 1  x.  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) ) ) )
52 faccl 11531 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( N  +  1 )  e.  NN0  ->  ( ! `
 ( N  + 
1 ) )  e.  NN )
5339, 52syl 16 . . . . . . . . . 10  |-  ( N  e.  NN  ->  ( ! `  ( N  +  1 ) )  e.  NN )
5453, 20nnmulcld 10003 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  NN )
5522, 54nndivred 10004 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  e.  RR )
5655recnd 9070 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  e.  CC )
5756mulid2d 9062 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
1  x.  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  /  ( ( ! `
 ( N  + 
1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )  =  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  / 
( ( ! `  ( N  +  1
) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
5851, 57eqtrd 2436 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( abs `  -u 1
) ^ ( N  +  1 ) )  x.  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  / 
( ( ! `  ( N  +  1
) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )  =  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  /  (
( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
5938, 45, 583brtr3d 4201 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) )  <_  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) ) )
60 eqid 2404 . . . . . . 7  |-  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) )  =  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) )
61 eftcl 12631 . . . . . . . . 9  |-  ( (
-u 1  e.  CC  /\  k  e.  NN0 )  ->  ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) )  e.  CC )
6229, 61mpan 652 . . . . . . . 8  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) )  e.  CC )
6341, 62syl 16 . . . . . . 7  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) )  -> 
( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) )  e.  CC )
6426eftlcvg 12662 . . . . . . . 8  |-  ( (
-u 1  e.  CC  /\  ( N  +  1 )  e.  NN0 )  ->  seq  ( N  + 
1 ) (  +  ,  ( n  e. 
NN0  |->  ( ( -u
1 ^ n )  /  ( ! `  n ) ) ) )  e.  dom  ~~>  )
6529, 39, 64sylancr 645 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  seq  ( N  +  1
) (  +  , 
( n  e.  NN0  |->  ( ( -u 1 ^ n )  / 
( ! `  n
) ) ) )  e.  dom  ~~>  )
6660, 47, 43, 63, 65isumcl 12500 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) )  e.  CC )
6766abscld 12193 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) )  e.  RR )
683nnred 9971 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( ! `  N )  e.  RR )
693nngt0d 9999 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  0  <  ( ! `  N
) )
70 lemul2 9819 . . . . 5  |-  ( ( ( abs `  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) )  e.  RR  /\  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  /  (
( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) )  e.  RR  /\  ( ( ! `  N )  e.  RR  /\  0  <  ( ! `
 N ) ) )  ->  ( ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) )  <_  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  <-> 
( ( ! `  N )  x.  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )  <_ 
( ( ! `  N )  x.  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) ) ) ) )
7167, 55, 68, 69, 70syl112anc 1188 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( abs `  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) )  <_  ( (
( N  +  1 )  +  1 )  /  ( ( ! `
 ( N  + 
1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) )  <->  ( ( ! `  N )  x.  ( abs `  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) ) )  <_  (
( ! `  N
)  x.  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  /  ( ( ! `
 ( N  + 
1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) ) ) )
7259, 71mpbid 202 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  x.  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )  <_ 
( ( ! `  N )  x.  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) ) ) )
7312, 13subfacval2 24826 . . . . . . . . . 10  |-  ( N  e.  NN0  ->  ( S `
 N )  =  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  ( 0 ... N ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )
741, 73syl 16 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  ( S `  N )  =  ( ( ! `
 N )  x. 
sum_ k  e.  ( 0 ... N ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) ) )
75 nncn 9964 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  CC )
76 pncan 9267 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( N  e.  CC  /\  1  e.  CC )  ->  ( ( N  + 
1 )  -  1 )  =  N )
7775, 31, 76sylancl 644 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  -  1 )  =  N )
7877oveq2d 6056 . . . . . . . . . . 11  |-  ( N  e.  NN  ->  (
0 ... ( ( N  +  1 )  - 
1 ) )  =  ( 0 ... N
) )
7978sumeq1d 12450 . . . . . . . . . 10  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ k  e.  ( 0 ... (
( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u
1 ^ k )  /  ( ! `  k ) )  = 
sum_ k  e.  ( 0 ... N ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) )
8079oveq2d 6056 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  x.  sum_ k  e.  ( 0 ... (
( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u
1 ^ k )  /  ( ! `  k ) ) )  =  ( ( ! `
 N )  x. 
sum_ k  e.  ( 0 ... N ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) ) )
8174, 80eqtr4d 2439 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  ( S `  N )  =  ( ( ! `
 N )  x. 
sum_ k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) ) )
8281oveq1d 6055 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( S `  N
)  +  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )  =  ( ( ( ! `
 N )  x. 
sum_ k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) )  +  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) ) ) )
83 divrec 9650 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ! `  N
)  e.  CC  /\  _e  e.  CC  /\  _e  =/=  0 )  ->  (
( ! `  N
)  /  _e )  =  ( ( ! `
 N )  x.  ( 1  /  _e ) ) )
846, 8, 83mp3an23 1271 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ! `  N )  e.  CC  ->  (
( ! `  N
)  /  _e )  =  ( ( ! `
 N )  x.  ( 1  /  _e ) ) )
854, 84syl 16 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  /  _e )  =  ( ( ! `
 N )  x.  ( 1  /  _e ) ) )
86 df-e 12626 . . . . . . . . . . . 12  |-  _e  =  ( exp `  1 )
8786oveq2i 6051 . . . . . . . . . . 11  |-  ( 1  /  _e )  =  ( 1  /  ( exp `  1 ) )
88 efneg 12654 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( 1  e.  CC  ->  ( exp `  -u 1 )  =  ( 1  /  ( exp `  1 ) ) )
8931, 88ax-mp 8 . . . . . . . . . . 11  |-  ( exp `  -u 1 )  =  ( 1  /  ( exp `  1 ) )
90 efval 12637 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( -u
1  e.  CC  ->  ( exp `  -u 1
)  =  sum_ k  e.  NN0  ( ( -u
1 ^ k )  /  ( ! `  k ) ) )
9129, 90ax-mp 8 . . . . . . . . . . 11  |-  ( exp `  -u 1 )  = 
sum_ k  e.  NN0  ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) )
9287, 89, 913eqtr2i 2430 . . . . . . . . . 10  |-  ( 1  /  _e )  = 
sum_ k  e.  NN0  ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) )
93 nn0uz 10476 . . . . . . . . . . 11  |-  NN0  =  ( ZZ>= `  0 )
9442adantl 453 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( n  e. 
NN0  |->  ( ( -u
1 ^ n )  /  ( ! `  n ) ) ) `
 k )  =  ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) )
9562adantl 453 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) )  e.  CC )
96 0nn0 10192 . . . . . . . . . . . . 13  |-  0  e.  NN0
9726eftlcvg 12662 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( (
-u 1  e.  CC  /\  0  e.  NN0 )  ->  seq  0 (  +  ,  ( n  e. 
NN0  |->  ( ( -u
1 ^ n )  /  ( ! `  n ) ) ) )  e.  dom  ~~>  )
9829, 96, 97mp2an 654 . . . . . . . . . . . 12  |-  seq  0
(  +  ,  ( n  e.  NN0  |->  ( (
-u 1 ^ n
)  /  ( ! `
 n ) ) ) )  e.  dom  ~~>
9998a1i 11 . . . . . . . . . . 11  |-  ( N  e.  NN  ->  seq  0 (  +  , 
( n  e.  NN0  |->  ( ( -u 1 ^ n )  / 
( ! `  n
) ) ) )  e.  dom  ~~>  )
10093, 60, 39, 94, 95, 99isumsplit 12575 . . . . . . . . . 10  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ k  e.  NN0  ( ( -u
1 ^ k )  /  ( ! `  k ) )  =  ( sum_ k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) )  +  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) ) )
10192, 100syl5eq 2448 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  (
1  /  _e )  =  ( sum_ k  e.  ( 0 ... (
( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u
1 ^ k )  /  ( ! `  k ) )  + 
sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )
102101oveq2d 6056 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  x.  ( 1  /  _e ) )  =  ( ( ! `
 N )  x.  ( sum_ k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) )  +  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) ) ) )
103 fzfid 11267 . . . . . . . . . 10  |-  ( N  e.  NN  ->  (
0 ... ( ( N  +  1 )  - 
1 ) )  e. 
Fin )
104 elfznn0 11039 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( k  e.  ( 0 ... ( ( N  + 
1 )  -  1 ) )  ->  k  e.  NN0 )
105104adantl 453 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  - 
1 ) ) )  ->  k  e.  NN0 )
10629, 105, 61sylancr 645 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  - 
1 ) ) )  ->  ( ( -u
1 ^ k )  /  ( ! `  k ) )  e.  CC )
107103, 106fsumcl 12482 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ k  e.  ( 0 ... (
( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u
1 ^ k )  /  ( ! `  k ) )  e.  CC )
1084, 107, 66adddid 9068 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  x.  ( sum_ k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  - 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
)  +  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) ) )  =  ( ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) )  +  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) ) ) )
10985, 102, 1083eqtrd 2440 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  /  _e )  =  ( ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  ( 0 ... ( ( N  +  1 )  -  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) )  +  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) ) ) )
11082, 109eqtr4d 2439 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( S `  N
)  +  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )  =  ( ( ! `  N )  /  _e ) )
1114, 66mulcld 9064 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  x.  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  / 
( ! `  k
) ) )  e.  CC )
11211, 17, 111subaddd 9385 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ( ! `
 N )  /  _e )  -  ( S `  N )
)  =  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) )  <->  ( ( S `  N )  +  ( ( ! `
 N )  x. 
sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )  =  ( ( ! `  N )  /  _e ) ) )
113110, 112mpbird 224 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ! `  N )  /  _e )  -  ( S `  N ) )  =  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  ( ZZ>= `  ( N  +  1
) ) ( (
-u 1 ^ k
)  /  ( ! `
 k ) ) ) )
114113fveq2d 5691 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  ( ( ( ! `  N )  /  _e )  -  ( S `  N ) ) )  =  ( abs `  ( ( ! `  N )  x.  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) ) )
1154, 66absmuld 12211 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  ( ( ! `
 N )  x. 
sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )  =  ( ( abs `  ( ! `  N )
)  x.  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) ) )
1163nnnn0d 10230 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  ( ! `  N )  e.  NN0 )
117116nn0ge0d 10233 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  0  <_  ( ! `  N
) )
11868, 117absidd 12180 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  ( ! `  N ) )  =  ( ! `  N
) )
119118oveq1d 6055 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( abs `  ( ! `  N )
)  x.  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) )  =  ( ( ! `  N )  x.  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) ) )
120114, 115, 1193eqtrd 2440 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  ( ( ( ! `  N )  /  _e )  -  ( S `  N ) ) )  =  ( ( ! `  N
)  x.  ( abs `  sum_ k  e.  (
ZZ>= `  ( N  + 
1 ) ) ( ( -u 1 ^ k )  /  ( ! `  k )
) ) ) )
121 facp1 11526 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN0  ->  ( ! `
 ( N  + 
1 ) )  =  ( ( ! `  N )  x.  ( N  +  1 ) ) )
1221, 121syl 16 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  ( ! `  ( N  +  1 ) )  =  ( ( ! `
 N )  x.  ( N  +  1 ) ) )
123122oveq1d 6055 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) )  =  ( ( ( ! `  N )  x.  ( N  + 
1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) )
12420nncnd 9972 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  +  1 )  e.  CC )
1254, 124, 124mulassd 9067 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ! `  N )  x.  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) )  =  ( ( ! `
 N )  x.  ( ( N  + 
1 )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
126123, 125eqtr2d 2437 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  N
)  x.  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  =  ( ( ! `
 ( N  + 
1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) )
127126oveq2d 6056 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ! `  N )  x.  (
( N  +  1 )  +  1 ) )  /  ( ( ! `  N )  x.  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )  =  ( ( ( ! `  N )  x.  ( ( N  +  1 )  +  1 ) )  / 
( ( ! `  ( N  +  1
) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
12821nncnd 9972 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  +  1 )  e.  CC )
12923nncnd 9972 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  CC )
13023nnne0d 10000 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) )  =/=  0 )
1313nnne0d 10000 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( ! `  N )  =/=  0 )
132128, 129, 4, 130, 131divcan5d 9772 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ! `  N )  x.  (
( N  +  1 )  +  1 ) )  /  ( ( ! `  N )  x.  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )  =  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  / 
( ( N  + 
1 )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
13354nncnd 9972 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  CC )
13454nnne0d 10000 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) )  =/=  0 )
1354, 128, 133, 134divassd 9781 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ! `  N )  x.  (
( N  +  1 )  +  1 ) )  /  ( ( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  =  ( ( ! `
 N )  x.  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  /  (
( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) ) )
136127, 132, 1353eqtr3d 2444 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  =  ( ( ! `
 N )  x.  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  /  (
( ! `  ( N  +  1 ) )  x.  ( N  +  1 ) ) ) ) )
13772, 120, 1363brtr4d 4202 . 2  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  ( ( ( ! `  N )  /  _e )  -  ( S `  N ) ) )  <_  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  + 
1 ) ) ) )
138 nnmulcl 9979 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( N  + 
1 )  +  1 )  e.  NN  /\  N  e.  NN )  ->  ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  x.  N
)  e.  NN )
13921, 138mpancom 651 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  x.  N )  e.  NN )
140139nnred 9971 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  x.  N )  e.  RR )
141140ltp1d 9897 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  x.  N )  <  ( ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  x.  N )  +  1 ) )
142129mulid2d 9062 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
1  x.  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  =  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) )
14331a1i 11 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  1  e.  CC )
14475, 143, 124adddird 9069 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) )  =  ( ( N  x.  ( N  + 
1 ) )  +  ( 1  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
14575, 124mulcomd 9065 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  x.  ( N  +  1 ) )  =  ( ( N  +  1 )  x.  N ) )
146124mulid2d 9062 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
1  x.  ( N  +  1 ) )  =  ( N  + 
1 ) )
147145, 146oveq12d 6058 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  x.  ( N  +  1 ) )  +  ( 1  x.  ( N  + 
1 ) ) )  =  ( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  ( N  +  1 ) ) )
148124, 143, 75adddird 9069 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  x.  N )  =  ( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  ( 1  x.  N
) ) )
149148oveq1d 6055 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ( N  +  1 )  +  1 )  x.  N
)  +  1 )  =  ( ( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  ( 1  x.  N ) )  +  1 ) )
15075mulid2d 9062 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  (
1  x.  N )  =  N )
151150oveq2d 6056 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  x.  N
)  +  ( 1  x.  N ) )  =  ( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  N ) )
152151oveq1d 6055 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  ( 1  x.  N ) )  +  1 )  =  ( ( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  N )  +  1 ) )
153124, 75mulcld 9064 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  x.  N )  e.  CC )
154153, 75, 143addassd 9066 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  N
)  +  1 )  =  ( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  ( N  +  1 ) ) )
155149, 152, 1543eqtrd 2440 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ( N  +  1 )  +  1 )  x.  N
)  +  1 )  =  ( ( ( N  +  1 )  x.  N )  +  ( N  +  1 ) ) )
156147, 155eqtr4d 2439 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( N  x.  ( N  +  1 ) )  +  ( 1  x.  ( N  + 
1 ) ) )  =  ( ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  x.  N )  +  1 ) )
157142, 144, 1563eqtrd 2440 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
1  x.  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  =  ( ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  x.  N )  +  1 ) )
158141, 157breqtrrd 4198 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  x.  N )  <  ( 1  x.  ( ( N  + 
1 )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
159 nnre 9963 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  RR )
160 nngt0 9985 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  0  <  N )
161159, 160jca 519 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  e.  RR  /\  0  <  N ) )
162 1re 9046 . . . . 5  |-  1  e.  RR
163162a1i 11 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  1  e.  RR )
164 nnre 9963 . . . . . 6  |-  ( ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  NN  ->  (
( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  RR )
165 nngt0 9985 . . . . . 6  |-  ( ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  NN  ->  0  <  ( ( N  + 
1 )  x.  ( N  +  1 ) ) )
166164, 165jca 519 . . . . 5  |-  ( ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  RR  /\  0  <  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
16723, 166syl 16 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  RR  /\  0  <  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) ) )
168 lt2mul2div 9842 . . . 4  |-  ( ( ( ( ( N  +  1 )  +  1 )  e.  RR  /\  ( N  e.  RR  /\  0  <  N ) )  /\  ( 1  e.  RR  /\  (
( ( N  + 
1 )  x.  ( N  +  1 ) )  e.  RR  /\  0  <  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) ) ) )  ->  ( (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  x.  N )  <  ( 1  x.  ( ( N  + 
1 )  x.  ( N  +  1 ) ) )  <->  ( (
( N  +  1 )  +  1 )  /  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) )  < 
( 1  /  N
) ) )
16922, 161, 163, 167, 168syl22anc 1185 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( ( N  +  1 )  +  1 )  x.  N
)  <  ( 1  x.  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) )  <->  ( (
( N  +  1 )  +  1 )  /  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  +  1 ) ) )  < 
( 1  /  N
) ) )
170158, 169mpbid 202 . 2  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( ( N  + 
1 )  +  1 )  /  ( ( N  +  1 )  x.  ( N  + 
1 ) ) )  <  ( 1  /  N ) )
17119, 24, 25, 137, 170lelttrd 9184 1  |-  ( N  e.  NN  ->  ( abs `  ( ( ( ! `  N )  /  _e )  -  ( S `  N ) ) )  <  (
1  /  N ) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:    -> wi 4    <-> wb 177    /\ wa 359    = wceq 1649    e. wcel 1721   {cab 2390    =/= wne 2567   A.wral 2666   class class class wbr 4172    e. cmpt 4226   dom cdm 4837   -1-1-onto->wf1o 5412   ` cfv 5413  (class class class)co 6040   Fincfn 7068   CCcc 8944   RRcr 8945   0cc0 8946   1c1 8947    + caddc 8949    x. cmul 8951    < clt 9076    <_ cle 9077    - cmin 9247   -ucneg 9248    / cdiv 9633   NNcn 9956   NN0cn0 10177   ZZcz 10238   ZZ>=cuz 10444   ...cfz 10999    seq cseq 11278   ^cexp 11337   !cfa 11521   #chash 11573   abscabs 11994    ~~> cli 12233   sum_csu 12434   expce 12619   _eceu 12620
This theorem is referenced by:  subfacval3  24828
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1552  ax-5 1563  ax-17 1623  ax-9 1662  ax-8 1683  ax-13 1723  ax-14 1725  ax-6 1740  ax-7 1745  ax-11 1757  ax-12 1946  ax-ext 2385  ax-rep 4280  ax-sep 4290  ax-nul 4298  ax-pow 4337  ax-pr 4363  ax-un 4660  ax-inf2 7552  ax-cnex 9002  ax-resscn 9003  ax-1cn 9004  ax-icn 9005  ax-addcl 9006  ax-addrcl 9007  ax-mulcl 9008  ax-mulrcl 9009  ax-mulcom 9010  ax-addass 9011  ax-mulass 9012  ax-distr 9013  ax-i2m1 9014  ax-1ne0 9015  ax-1rid 9016  ax-rnegex 9017  ax-rrecex 9018  ax-cnre 9019  ax-pre-lttri 9020  ax-pre-lttrn 9021  ax-pre-ltadd 9022  ax-pre-mulgt0 9023  ax-pre-sup 9024  ax-addf 9025  ax-mulf 9026
This theorem depends on definitions:  df-bi 178  df-or 360  df-an 361  df-3or 937  df-3an 938  df-tru 1325  df-ex 1548  df-nf 1551  df-sb 1656  df-eu 2258  df-mo 2259  df-clab 2391  df-cleq 2397  df-clel 2400  df-nfc 2529  df-ne 2569  df-nel 2570  df-ral 2671  df-rex 2672  df-reu 2673  df-rmo 2674  df-rab 2675  df-v 2918  df-sbc 3122  df-csb 3212  df-dif 3283  df-un 3285  df-in 3287  df-ss 3294  df-pss 3296  df-nul 3589  df-if 3700  df-pw 3761  df-sn 3780  df-pr 3781  df-tp 3782  df-op 3783  df-uni 3976  df-int 4011  df-iun 4055  df-br 4173  df-opab 4227  df-mpt 4228  df-tr 4263  df-eprel 4454  df-id 4458  df-po 4463  df-so 4464  df-fr 4501  df-se 4502  df-we 4503  df-ord 4544  df-on 4545  df-lim 4546  df-suc 4547  df-om 4805  df-xp 4843  df-rel 4844  df-cnv 4845  df-co 4846  df-dm 4847  df-rn 4848  df-res 4849  df-ima 4850  df-iota 5377  df-fun 5415  df-fn 5416  df-f 5417  df-f1 5418  df-fo 5419  df-f1o 5420  df-fv 5421  df-isom 5422  df-ov 6043  df-oprab 6044  df-mpt2 6045  df-1st 6308  df-2nd 6309  df-riota 6508  df-recs 6592  df-rdg 6627  df-1o 6683  df-2o 6684  df-oadd 6687  df-er 6864  df-map 6979  df-pm 6980  df-en 7069  df-dom 7070  df-sdom 7071  df-fin 7072  df-sup 7404  df-oi 7435  df-card 7782  df-cda 8004  df-pnf 9078  df-mnf 9079  df-xr 9080  df-ltxr 9081  df-le 9082  df-sub 9249  df-neg 9250  df-div 9634  df-nn 9957  df-2 10014  df-3 10015  df-4 10016  df-n0 10178  df-z 10239  df-uz 10445  df-q 10531  df-rp 10569  df-ico 10878  df-fz 11000  df-fzo 11091  df-fl 11157  df-seq 11279  df-exp 11338  df-fac 11522  df-bc 11549  df-hash 11574  df-shft 11837  df-cj 11859  df-re 11860  df-im 11861  df-sqr 11995  df-abs 11996  df-limsup 12220  df-clim 12237  df-rlim 12238  df-sum 12435  df-ef 12625  df-e 12626
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