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Theorem facdiv 9762
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 3797 . . . . 5  |-  ( j  =  0  ->  ( N  <_  j  <->  N  <_  0 ) )
2 fveq2 5209 . . . . . . 7  |-  ( j  =  0  ->  ( ! `  j )  =  ( ! ` 
0 ) )
32oveq1d 5558 . . . . . 6  |-  ( j  =  0  ->  (
( ! `  j
)  /  N )  =  ( ( ! `
 0 )  /  N ) )
43eleq1d 2148 . . . . 5  |-  ( j  =  0  ->  (
( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN  <->  ( ( ! `  0 )  /  N )  e.  NN ) )
51, 4imbi12d 232 . . . 4  |-  ( j  =  0  ->  (
( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN )  <-> 
( N  <_  0  ->  ( ( ! ` 
0 )  /  N
)  e.  NN ) ) )
65imbi2d 228 . . 3  |-  ( j  =  0  ->  (
( N  e.  NN  ->  ( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN ) )  <->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  0  ->  ( ( ! `  0 )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7 breq2 3797 . . . . 5  |-  ( j  =  k  ->  ( N  <_  j  <->  N  <_  k ) )
8 fveq2 5209 . . . . . . 7  |-  ( j  =  k  ->  ( ! `  j )  =  ( ! `  k ) )
98oveq1d 5558 . . . . . 6  |-  ( j  =  k  ->  (
( ! `  j
)  /  N )  =  ( ( ! `
 k )  /  N ) )
109eleq1d 2148 . . . . 5  |-  ( j  =  k  ->  (
( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN  <->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN ) )
117, 10imbi12d 232 . . . 4  |-  ( j  =  k  ->  (
( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN )  <-> 
( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN ) ) )
1211imbi2d 228 . . 3  |-  ( j  =  k  ->  (
( N  e.  NN  ->  ( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN ) )  <->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
13 breq2 3797 . . . . 5  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  ( N  <_  j  <->  N  <_  ( k  +  1 ) ) )
14 fveq2 5209 . . . . . . 7  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  ( ! `  j )  =  ( ! `  ( k  +  1 ) ) )
1514oveq1d 5558 . . . . . 6  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ! `  j
)  /  N )  =  ( ( ! `
 ( k  +  1 ) )  /  N ) )
1615eleq1d 2148 . . . . 5  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN  <->  ( ( ! `  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
1713, 16imbi12d 232 . . . 4  |-  ( j  =  ( k  +  1 )  ->  (
( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN )  <-> 
( N  <_  (
k  +  1 )  ->  ( ( ! `
 ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) )
1817imbi2d 228 . . 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 3797 . . . . 5  |-  ( j  =  M  ->  ( N  <_  j  <->  N  <_  M ) )
20 fveq2 5209 . . . . . . 7  |-  ( j  =  M  ->  ( ! `  j )  =  ( ! `  M ) )
2120oveq1d 5558 . . . . . 6  |-  ( j  =  M  ->  (
( ! `  j
)  /  N )  =  ( ( ! `
 M )  /  N ) )
2221eleq1d 2148 . . . . 5  |-  ( j  =  M  ->  (
( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN  <->  ( ( ! `  M )  /  N )  e.  NN ) )
2319, 22imbi12d 232 . . . 4  |-  ( j  =  M  ->  (
( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN )  <-> 
( N  <_  M  ->  ( ( ! `  M )  /  N
)  e.  NN ) ) )
2423imbi2d 228 . . 3  |-  ( j  =  M  ->  (
( N  e.  NN  ->  ( N  <_  j  ->  ( ( ! `  j )  /  N
)  e.  NN ) )  <->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  M  ->  ( ( ! `  M )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
25 nngt0 8131 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  0  <  N )
26 0z 8443 . . . . . 6  |-  0  e.  ZZ
27 nnz 8451 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  ZZ )
28 zltnle 8478 . . . . . 6  |-  ( ( 0  e.  ZZ  /\  N  e.  ZZ )  ->  ( 0  <  N  <->  -.  N  <_  0 ) )
2926, 27, 28sylancr 405 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  (
0  <  N  <->  -.  N  <_  0 ) )
3025, 29mpbid 145 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  -.  N  <_  0 )
3130pm2.21d 582 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  0  ->  (
( ! `  0
)  /  N )  e.  NN ) )
32 peano2nn0 8395 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( k  +  1 )  e. 
NN0 )
3332nn0zd 8548 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( k  +  1 )  e.  ZZ )
34 zleloe 8479 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( N  e.  ZZ  /\  ( k  +  1 )  e.  ZZ )  ->  ( N  <_ 
( k  +  1 )  <->  ( N  < 
( k  +  1 )  \/  N  =  ( k  +  1 ) ) ) )
3527, 33, 34syl2an 283 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  (
k  +  1 )  <-> 
( N  <  (
k  +  1 )  \/  N  =  ( k  +  1 ) ) ) )
36 nnnn0 8362 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  NN0 )
37 nn0leltp1 8495 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( N  e.  NN0  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  k  <->  N  <  ( k  +  1 ) ) )
3836, 37sylan 277 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  k  <->  N  <  ( k  +  1 ) ) )
39 nn0p1nn 8394 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( k  +  1 )  e.  NN )
40 nnmulcl 8127 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( ( ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN  /\  ( k  +  1 )  e.  NN )  ->  ( ( ( ! `  k )  /  N )  x.  ( k  +  1 ) )  e.  NN )
4139, 40sylan2 280 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  /  N )  x.  (
k  +  1 ) )  e.  NN )
4241expcom 114 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( ( ! `  k
)  /  N )  e.  NN  ->  (
( ( ! `  k )  /  N
)  x.  ( k  +  1 ) )  e.  NN ) )
4342adantl 271 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  /  N )  e.  NN  ->  ( ( ( ! `
 k )  /  N )  x.  (
k  +  1 ) )  e.  NN ) )
44 faccl 9759 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ! `
 k )  e.  NN )
4544nncnd 8120 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ! `
 k )  e.  CC )
4645adantl 271 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ! `  k
)  e.  CC )
4732nn0cnd 8410 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( k  +  1 )  e.  CC )
4847adantl 271 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( k  +  1 )  e.  CC )
49 nncn 8114 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  CC )
5049adantr 270 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  ->  N  e.  CC )
51 nnap0 8135 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19  |-  ( N  e.  NN  ->  N #  0 )
5251adantr 270 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  ->  N #  0 )
5346, 48, 50, 52div23apd 7981 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  =  ( ( ( ! `  k
)  /  N )  x.  ( k  +  1 ) ) )
5453eleq1d 2148 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN  <->  ( ( ( ! `  k )  /  N
)  x.  ( k  +  1 ) )  e.  NN ) )
5543, 54sylibrd 167 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  /  N )  e.  NN  ->  ( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  e.  NN ) )
5655imim2d 53 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  ->  ( N  <_ 
k  ->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) )
5756com23 77 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  k  ->  ( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  ->  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) )
5838, 57sylbird 168 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <  (
k  +  1 )  ->  ( ( N  <_  k  ->  (
( ! `  k
)  /  N )  e.  NN )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  e.  NN ) ) )
5946, 50, 52divcanap4d 7950 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  N )  /  N
)  =  ( ! `
 k ) )
6044adantl 271 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ! `  k
)  e.  NN )
6159, 60eqeltrd 2156 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  N )  /  N
)  e.  NN )
62 oveq2 5551 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( N  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ! `  k
)  x.  N )  =  ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) ) )
6362oveq1d 5558 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( N  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ( ! `  k )  x.  N
)  /  N )  =  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N ) )
6463eleq1d 2148 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( N  =  ( k  +  1 )  ->  (
( ( ( ! `
 k )  x.  N )  /  N
)  e.  NN  <->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
6561, 64syl5ibcom 153 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  =  ( k  +  1 )  ->  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
6665a1dd 47 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  =  ( k  +  1 )  ->  ( ( N  <_  k  ->  (
( ! `  k
)  /  N )  e.  NN )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  e.  NN ) ) )
6758, 66jaod 670 . . . . . . . . . . 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 ) ) )
6835, 67sylbid 148 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( N  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( N  <_  (
k  +  1 )  ->  ( ( N  <_  k  ->  (
( ! `  k
)  /  N )  e.  NN )  -> 
( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
)  e.  NN ) ) )
6968ex 113 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN  ->  (
k  e.  NN0  ->  ( N  <_  ( k  +  1 )  -> 
( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  ->  ( ( ( ! `  k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7069com34 82 . . . . . . . 8  |-  ( N  e.  NN  ->  (
k  e.  NN0  ->  ( ( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN )  ->  ( N  <_ 
( k  +  1 )  ->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7170com12 30 . . . . . . 7  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( N  e.  NN  ->  (
( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN )  ->  ( N  <_ 
( k  +  1 )  ->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7271imp4d 344 . . . . . 6  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( N  e.  NN  /\  ( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  /\  N  <_  (
k  +  1 ) ) )  ->  (
( ( ! `  k )  x.  (
k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
73 facp1 9754 . . . . . . . 8  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ! `
 ( k  +  1 ) )  =  ( ( ! `  k )  x.  (
k  +  1 ) ) )
7473oveq1d 5558 . . . . . . 7  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( ! `  ( k  +  1 ) )  /  N )  =  ( ( ( ! `
 k )  x.  ( k  +  1 ) )  /  N
) )
7574eleq1d 2148 . . . . . 6  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( ( ! `  (
k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN  <->  ( (
( ! `  k
)  x.  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
7672, 75sylibrd 167 . . . . 5  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( ( N  e.  NN  /\  ( ( N  <_ 
k  ->  ( ( ! `  k )  /  N )  e.  NN )  /\  N  <_  (
k  +  1 ) ) )  ->  (
( ! `  (
k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) )
7776exp4d 361 . . . 4  |-  ( k  e.  NN0  ->  ( N  e.  NN  ->  (
( N  <_  k  ->  ( ( ! `  k )  /  N
)  e.  NN )  ->  ( N  <_ 
( k  +  1 )  ->  ( ( ! `  ( k  +  1 ) )  /  N )  e.  NN ) ) ) )
7877a2d 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 ) ) ) )
796, 12, 18, 24, 31, 78nn0ind 8542 . 2  |-  ( M  e.  NN0  ->  ( N  e.  NN  ->  ( N  <_  M  ->  (
( ! `  M
)  /  N )  e.  NN ) ) )
80793imp 1133 1  |-  ( ( M  e.  NN0  /\  N  e.  NN  /\  N  <_  M )  ->  (
( ! `  M
)  /  N )  e.  NN )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:   -. wn 3    -> wi 4    /\ wa 102    <-> wb 103    \/ wo 662    /\ w3a 920    = wceq 1285    e. wcel 1434   class class class wbr 3793   ` cfv 4932  (class class class)co 5543   CCcc 7041   0cc0 7043   1c1 7044    + caddc 7046    x. cmul 7048    < clt 7215    <_ cle 7216   # cap 7748    / cdiv 7827   NNcn 8106   NN0cn0 8355   ZZcz 8432   !cfa 9749
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-mp 7  ax-ia1 104  ax-ia2 105  ax-ia3 106  ax-in1 577  ax-in2 578  ax-io 663  ax-5 1377  ax-7 1378  ax-gen 1379  ax-ie1 1423  ax-ie2 1424  ax-8 1436  ax-10 1437  ax-11 1438  ax-i12 1439  ax-bndl 1440  ax-4 1441  ax-13 1445  ax-14 1446  ax-17 1460  ax-i9 1464  ax-ial 1468  ax-i5r 1469  ax-ext 2064  ax-coll 3901  ax-sep 3904  ax-nul 3912  ax-pow 3956  ax-pr 3972  ax-un 4196  ax-setind 4288  ax-iinf 4337  ax-cnex 7129  ax-resscn 7130  ax-1cn 7131  ax-1re 7132  ax-icn 7133  ax-addcl 7134  ax-addrcl 7135  ax-mulcl 7136  ax-mulrcl 7137  ax-addcom 7138  ax-mulcom 7139  ax-addass 7140  ax-mulass 7141  ax-distr 7142  ax-i2m1 7143  ax-0lt1 7144  ax-1rid 7145  ax-0id 7146  ax-rnegex 7147  ax-precex 7148  ax-cnre 7149  ax-pre-ltirr 7150  ax-pre-ltwlin 7151  ax-pre-lttrn 7152  ax-pre-apti 7153  ax-pre-ltadd 7154  ax-pre-mulgt0 7155  ax-pre-mulext 7156
This theorem depends on definitions:  df-bi 115  df-3or 921  df-3an 922  df-tru 1288  df-fal 1291  df-nf 1391  df-sb 1687  df-eu 1945  df-mo 1946  df-clab 2069  df-cleq 2075  df-clel 2078  df-nfc 2209  df-ne 2247  df-nel 2341  df-ral 2354  df-rex 2355  df-reu 2356  df-rmo 2357  df-rab 2358  df-v 2604  df-sbc 2817  df-csb 2910  df-dif 2976  df-un 2978  df-in 2980  df-ss 2987  df-nul 3259  df-pw 3392  df-sn 3412  df-pr 3413  df-op 3415  df-uni 3610  df-int 3645  df-iun 3688  df-br 3794  df-opab 3848  df-mpt 3849  df-tr 3884  df-id 4056  df-po 4059  df-iso 4060  df-iord 4129  df-on 4131  df-ilim 4132  df-suc 4134  df-iom 4340  df-xp 4377  df-rel 4378  df-cnv 4379  df-co 4380  df-dm 4381  df-rn 4382  df-res 4383  df-ima 4384  df-iota 4897  df-fun 4934  df-fn 4935  df-f 4936  df-f1 4937  df-fo 4938  df-f1o 4939  df-fv 4940  df-riota 5499  df-ov 5546  df-oprab 5547  df-mpt2 5548  df-1st 5798  df-2nd 5799  df-recs 5954  df-frec 6040  df-pnf 7217  df-mnf 7218  df-xr 7219  df-ltxr 7220  df-le 7221  df-sub 7348  df-neg 7349  df-reap 7742  df-ap 7749  df-div 7828  df-inn 8107  df-n0 8356  df-z 8433  df-uz 8701  df-iseq 9522  df-fac 9750
This theorem is referenced by:  facndiv  9763
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