Mathbox for Mario Carneiro < Previous   Next > Nearby theorems Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  subfacval3 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem subfacval3 30425
 Description: Another closed form expression for the subfactorial. The expression ⌊‘(𝑥 + 1 / 2) is a way of saying "rounded to the nearest integer". (Contributed by Mario Carneiro, 23-Jan-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
derang.d 𝐷 = (𝑥 ∈ Fin ↦ (#‘{𝑓 ∣ (𝑓:𝑥1-1-onto𝑥 ∧ ∀𝑦𝑥 (𝑓𝑦) ≠ 𝑦)}))
subfac.n 𝑆 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐷‘(1...𝑛)))
Assertion
Ref Expression
subfacval3 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆𝑁) = (⌊‘(((!‘𝑁) / e) + (1 / 2))))
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 subfacval3
StepHypRef Expression
1 nnnn0 11176 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ0)
2 derang.d . . . . . . . . 9 𝐷 = (𝑥 ∈ Fin ↦ (#‘{𝑓 ∣ (𝑓:𝑥1-1-onto𝑥 ∧ ∀𝑦𝑥 (𝑓𝑦) ≠ 𝑦)}))
3 subfac.n . . . . . . . . 9 𝑆 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐷‘(1...𝑛)))
42, 3subfacf 30411 . . . . . . . 8 𝑆:ℕ0⟶ℕ0
54ffvelrni 6266 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ0 → (𝑆𝑁) ∈ ℕ0)
61, 5syl 17 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆𝑁) ∈ ℕ0)
76nn0zd 11356 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆𝑁) ∈ ℤ)
87zred 11358 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆𝑁) ∈ ℝ)
9 faccl 12932 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ0 → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
101, 9syl 17 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
1110nnred 10912 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℝ)
12 epr 14775 . . . . . 6 e ∈ ℝ+
13 rerpdivcl 11737 . . . . . 6 (((!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ e ∈ ℝ+) → ((!‘𝑁) / e) ∈ ℝ)
1411, 12, 13sylancl 693 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) / e) ∈ ℝ)
15 halfre 11123 . . . . 5 (1 / 2) ∈ ℝ
16 readdcl 9898 . . . . 5 ((((!‘𝑁) / e) ∈ ℝ ∧ (1 / 2) ∈ ℝ) → (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) ∈ ℝ)
1714, 15, 16sylancl 693 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) ∈ ℝ)
18 elnn1uz2 11641 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ ↔ (𝑁 = 1 ∨ 𝑁 ∈ (ℤ‘2)))
19 fveq2 6103 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑁 = 1 → (!‘𝑁) = (!‘1))
20 fac1 12926 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (!‘1) = 1
2119, 20syl6eq 2660 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑁 = 1 → (!‘𝑁) = 1)
2221oveq1d 6564 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑁 = 1 → ((!‘𝑁) / e) = (1 / e))
23 fveq2 6103 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑁 = 1 → (𝑆𝑁) = (𝑆‘1))
242, 3subfac1 30414 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑆‘1) = 0
2523, 24syl6eq 2660 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑁 = 1 → (𝑆𝑁) = 0)
2622, 25oveq12d 6567 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑁 = 1 → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁)) = ((1 / e) − 0))
27 rpreccl 11733 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (e ∈ ℝ+ → (1 / e) ∈ ℝ+)
2812, 27ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (1 / e) ∈ ℝ+
29 rpre 11715 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((1 / e) ∈ ℝ+ → (1 / e) ∈ ℝ)
3028, 29ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . . 15 (1 / e) ∈ ℝ
3130recni 9931 . . . . . . . . . . . . . 14 (1 / e) ∈ ℂ
3231subid1i 10232 . . . . . . . . . . . . 13 ((1 / e) − 0) = (1 / e)
3326, 32syl6eq 2660 . . . . . . . . . . . 12 (𝑁 = 1 → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁)) = (1 / e))
3433fveq2d 6107 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 = 1 → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) = (abs‘(1 / e)))
35 rpge0 11721 . . . . . . . . . . . . 13 ((1 / e) ∈ ℝ+ → 0 ≤ (1 / e))
3628, 35ax-mp 5 . . . . . . . . . . . 12 0 ≤ (1 / e)
37 absid 13884 . . . . . . . . . . . 12 (((1 / e) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (1 / e)) → (abs‘(1 / e)) = (1 / e))
3830, 36, 37mp2an 704 . . . . . . . . . . 11 (abs‘(1 / e)) = (1 / e)
3934, 38syl6eq 2660 . . . . . . . . . 10 (𝑁 = 1 → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) = (1 / e))
40 egt2lt3 14773 . . . . . . . . . . . 12 (2 < e ∧ e < 3)
4140simpli 473 . . . . . . . . . . 11 2 < e
42 2re 10967 . . . . . . . . . . . 12 2 ∈ ℝ
43 ere 14658 . . . . . . . . . . . 12 e ∈ ℝ
44 2pos 10989 . . . . . . . . . . . 12 0 < 2
45 epos 14774 . . . . . . . . . . . 12 0 < e
4642, 43, 44, 45ltrecii 10819 . . . . . . . . . . 11 (2 < e ↔ (1 / e) < (1 / 2))
4741, 46mpbi 219 . . . . . . . . . 10 (1 / e) < (1 / 2)
4839, 47syl6eqbr 4622 . . . . . . . . 9 (𝑁 = 1 → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) < (1 / 2))
49 eluz2nn 11602 . . . . . . . . . . . 12 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → 𝑁 ∈ ℕ)
5014, 8resubcld 10337 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁)) ∈ ℝ)
5150recnd 9947 . . . . . . . . . . . 12 (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁)) ∈ ℂ)
5249, 51syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁)) ∈ ℂ)
5352abscld 14023 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) ∈ ℝ)
5449nnrecred 10943 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → (1 / 𝑁) ∈ ℝ)
5515a1i 11 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → (1 / 2) ∈ ℝ)
562, 3subfaclim 30424 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) < (1 / 𝑁))
5749, 56syl 17 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) < (1 / 𝑁))
58 eluzle 11576 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → 2 ≤ 𝑁)
59 nnre 10904 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℝ)
60 nngt0 10926 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑁 ∈ ℕ → 0 < 𝑁)
61 lerec 10785 . . . . . . . . . . . . . 14 (((2 ∈ ℝ ∧ 0 < 2) ∧ (𝑁 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑁)) → (2 ≤ 𝑁 ↔ (1 / 𝑁) ≤ (1 / 2)))
6242, 44, 61mpanl12 714 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑁 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑁) → (2 ≤ 𝑁 ↔ (1 / 𝑁) ≤ (1 / 2)))
6359, 60, 62syl2anc 691 . . . . . . . . . . . 12 (𝑁 ∈ ℕ → (2 ≤ 𝑁 ↔ (1 / 𝑁) ≤ (1 / 2)))
6449, 63syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → (2 ≤ 𝑁 ↔ (1 / 𝑁) ≤ (1 / 2)))
6558, 64mpbid 221 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → (1 / 𝑁) ≤ (1 / 2))
6653, 54, 55, 57, 65ltletrd 10076 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ (ℤ‘2) → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) < (1 / 2))
6748, 66jaoi 393 . . . . . . . 8 ((𝑁 = 1 ∨ 𝑁 ∈ (ℤ‘2)) → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) < (1 / 2))
6818, 67sylbi 206 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) < (1 / 2))
6915a1i 11 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 2) ∈ ℝ)
7014, 8, 69absdifltd 14020 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆𝑁))) < (1 / 2) ↔ (((𝑆𝑁) − (1 / 2)) < ((!‘𝑁) / e) ∧ ((!‘𝑁) / e) < ((𝑆𝑁) + (1 / 2)))))
7168, 70mpbid 221 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑆𝑁) − (1 / 2)) < ((!‘𝑁) / e) ∧ ((!‘𝑁) / e) < ((𝑆𝑁) + (1 / 2))))
7271simpld 474 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑆𝑁) − (1 / 2)) < ((!‘𝑁) / e))
738, 69, 14ltsubaddd 10502 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑆𝑁) − (1 / 2)) < ((!‘𝑁) / e) ↔ (𝑆𝑁) < (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2))))
7472, 73mpbid 221 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆𝑁) < (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)))
758, 17, 74ltled 10064 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆𝑁) ≤ (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)))
76 readdcl 9898 . . . . . 6 (((𝑆𝑁) ∈ ℝ ∧ (1 / 2) ∈ ℝ) → ((𝑆𝑁) + (1 / 2)) ∈ ℝ)
778, 15, 76sylancl 693 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑆𝑁) + (1 / 2)) ∈ ℝ)
7871simprd 478 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) / e) < ((𝑆𝑁) + (1 / 2)))
7914, 77, 69, 78ltadd1dd 10517 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) < (((𝑆𝑁) + (1 / 2)) + (1 / 2)))
808recnd 9947 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆𝑁) ∈ ℂ)
8169recnd 9947 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 2) ∈ ℂ)
8280, 81, 81addassd 9941 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑆𝑁) + (1 / 2)) + (1 / 2)) = ((𝑆𝑁) + ((1 / 2) + (1 / 2))))
83 ax-1cn 9873 . . . . . . 7 1 ∈ ℂ
84 2halves 11137 . . . . . . 7 (1 ∈ ℂ → ((1 / 2) + (1 / 2)) = 1)
8583, 84ax-mp 5 . . . . . 6 ((1 / 2) + (1 / 2)) = 1
8685oveq2i 6560 . . . . 5 ((𝑆𝑁) + ((1 / 2) + (1 / 2))) = ((𝑆𝑁) + 1)
8782, 86syl6eq 2660 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑆𝑁) + (1 / 2)) + (1 / 2)) = ((𝑆𝑁) + 1))
8879, 87breqtrd 4609 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) < ((𝑆𝑁) + 1))
89 flbi 12479 . . . 4 (((((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) ∈ ℝ ∧ (𝑆𝑁) ∈ ℤ) → ((⌊‘(((!‘𝑁) / e) + (1 / 2))) = (𝑆𝑁) ↔ ((𝑆𝑁) ≤ (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) ∧ (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) < ((𝑆𝑁) + 1))))
9017, 7, 89syl2anc 691 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → ((⌊‘(((!‘𝑁) / e) + (1 / 2))) = (𝑆𝑁) ↔ ((𝑆𝑁) ≤ (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) ∧ (((!‘𝑁) / e) + (1 / 2)) < ((𝑆𝑁) + 1))))
9175, 88, 90mpbir2and 959 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → (⌊‘(((!‘𝑁) / e) + (1 / 2))) = (𝑆𝑁))
9291eqcomd 2616 1 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆𝑁) = (⌊‘(((!‘𝑁) / e) + (1 / 2))))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 195   ∨ wo 382   ∧ wa 383   = wceq 1475   ∈ wcel 1977  {cab 2596   ≠ wne 2780  ∀wral 2896   class class class wbr 4583   ↦ cmpt 4643  –1-1-onto→wf1o 5803  ‘cfv 5804  (class class class)co 6549  Fincfn 7841  ℂcc 9813  ℝcr 9814  0cc0 9815  1c1 9816   + caddc 9818   < clt 9953   ≤ cle 9954   − cmin 10145   / cdiv 10563  ℕcn 10897  2c2 10947  3c3 10948  ℕ0cn0 11169  ℤcz 11254  ℤ≥cuz 11563  ℝ+crp 11708  ...cfz 12197  ⌊cfl 12453  !cfa 12922  #chash 12979  abscabs 13822  eceu 14632 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  ax-addf 9894  ax-mulf 9895 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-2o 7448  df-oadd 7451  df-er 7629  df-map 7746  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-4 10958  df-n0 11170  df-xnn0 11241  df-z 11255  df-uz 11564  df-q 11665  df-rp 11709  df-ico 12052  df-fz 12198  df-fzo 12335  df-fl 12455  df-seq 12664  df-exp 12723  df-fac 12923  df-bc 12952  df-hash 12980  df-shft 13655  df-cj 13687  df-re 13688  df-im 13689  df-sqrt 13823  df-abs 13824  df-limsup 14050  df-clim 14067  df-rlim 14068  df-sum 14265  df-ef 14637  df-e 14638 This theorem is referenced by:  derangfmla  30426
 Copyright terms: Public domain W3C validator