Theorem facubnd 10494

Description: An upper bound for the factorial function. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Apr-2016.)

Assertion

Ref	Expression
facubnd	|- ( N e. NN0 -> ( ! ` N ) <_ ( N ^ N ) )

Proof of Theorem facubnd

Dummy variables m k are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		fveq2 5421	. . . 4 |- ( m = 0 -> ( ! ` m ) = ( ! ` 0 ) )
2		fac0 10477	. . . 4 |- ( ! ` 0 ) = 1
3	1, 2	syl6eq 2188	. . 3 |- ( m = 0 -> ( ! ` m ) = 1 )
4		id 19	. . . . 5 |- ( m = 0 -> m = 0 )
5	4, 4	oveq12d 5792	. . . 4 |- ( m = 0 -> ( m ^ m ) = ( 0 ^ 0 ) )
6		0exp0e1 10301	. . . 4 |- ( 0 ^ 0 ) = 1
7	5, 6	syl6eq 2188	. . 3 |- ( m = 0 -> ( m ^ m ) = 1 )
8	3, 7	breq12d 3942	. 2 |- ( m = 0 -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> 1 <_ 1 ) )
9		fveq2 5421	. . 3 |- ( m = k -> ( ! ` m ) = ( ! ` k ) )
10		id 19	. . . 4 |- ( m = k -> m = k )
11	10, 10	oveq12d 5792	. . 3 |- ( m = k -> ( m ^ m ) = ( k ^ k ) )
12	9, 11	breq12d 3942	. 2 |- ( m = k -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) )
13		fveq2 5421	. . 3 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( ! ` m ) = ( ! ` ( k + 1 ) ) )
14		id 19	. . . 4 |- ( m = ( k + 1 ) -> m = ( k + 1 ) )
15	14, 14	oveq12d 5792	. . 3 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( m ^ m ) = ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) )
16	13, 15	breq12d 3942	. 2 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` ( k + 1 ) ) <_ ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) ) )
17		fveq2 5421	. . 3 |- ( m = N -> ( ! ` m ) = ( ! ` N ) )
18		id 19	. . . 4 |- ( m = N -> m = N )
19	18, 18	oveq12d 5792	. . 3 |- ( m = N -> ( m ^ m ) = ( N ^ N ) )
20	17, 19	breq12d 3942	. 2 |- ( m = N -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` N ) <_ ( N ^ N ) ) )
21		1le1 8337	. 2 |- 1 <_ 1
22		faccl 10484	. . . . . . . 8 |- ( k e. NN0 -> ( ! ` k ) e. NN )
23	22	adantr 274	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) e. NN )
24	23	nnred 8736	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) e. RR )
25		nn0re 8989	. . . . . . . 8 |- ( k e. NN0 -> k e. RR )
26	25	adantr 274	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> k e. RR )
27		simpl 108	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> k e. NN0 )
28	26, 27	reexpcld 10444	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k ^ k ) e. RR )
29		nn0p1nn 9019	. . . . . . . . 9 |- ( k e. NN0 -> ( k + 1 ) e. NN )
30	29	adantr 274	. . . . . . . 8 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k + 1 ) e. NN )
31	30	nnred 8736	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k + 1 ) e. RR )
32	31, 27	reexpcld 10444	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ( k + 1 ) ^ k ) e. RR )
33		simpr 109	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) )
34		nn0ge0 9005	. . . . . . . 8 |- ( k e. NN0 -> 0 <_ k )
35	34	adantr 274	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> 0 <_ k )
36	26	lep1d 8692	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> k <_ ( k + 1 ) )
37		leexp1a 10351	. . . . . . 7 |- ( ( ( k e. RR /\ ( k + 1 ) e. RR /\ k e. NN0 ) /\ ( 0 <_ k /\ k <_ ( k + 1 ) ) ) -> ( k ^ k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) )
38	26, 31, 27, 35, 36, 37	syl32anc 1224	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k ^ k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) )
39	24, 28, 32, 33, 38	letrd 7889	. . . . 5 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) )
40	30	nngt0d 8767	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> 0 < ( k + 1 ) )
41		lemul1 8358	. . . . . 6 |- ( ( ( ! ` k ) e. RR /\ ( ( k + 1 ) ^ k ) e. RR /\ ( ( k + 1 ) e. RR /\ 0 < ( k + 1 ) ) ) -> ( ( ! ` k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) <-> ( ( ! ` k ) x. ( k + 1 ) ) <_ ( ( ( k + 1 ) ^ k ) x. ( k + 1 ) ) ) )
42	24, 32, 31, 40, 41	syl112anc 1220	. . . . 5 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ( ! ` k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) <-> ( ( ! ` k ) x. ( k + 1 ) ) <_ ( ( ( k + 1 ) ^ k ) x. ( k + 1 ) ) ) )
43	39, 42	mpbid 146	. . . 4 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ( ! ` k ) x. ( k + 1 ) ) <_ ( ( ( k + 1 ) ^ k ) x. ( k + 1 ) ) )
44		facp1 10479	. . . . 5 |- ( k e. NN0 -> ( ! ` ( k + 1 ) ) = ( ( ! ` k ) x. ( k + 1 ) ) )
45	44	adantr 274	. . . 4 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` ( k + 1 ) ) = ( ( ! ` k ) x. ( k + 1 ) ) )
46	30	nncnd 8737	. . . . 5 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k + 1 ) e. CC )
47	46, 27	expp1d 10428	. . . 4 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) = ( ( ( k + 1 ) ^ k ) x. ( k + 1 ) ) )
48	43, 45, 47	3brtr4d 3960	. . 3 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` ( k + 1 ) ) <_ ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) )
49	48	ex 114	. 2 |- ( k e. NN0 -> ( ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) -> ( ! ` ( k + 1 ) ) <_ ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) ) )
50	8, 12, 16, 20, 21, 49	nn0ind 9168	1 |- ( N e. NN0 -> ( ! ` N ) <_ ( N ^ N ) )

Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 103   <-> wb 104   = wceq 1331   e. wcel 1480   class class class wbr 3929   ` cfv 5123  (class class class)co 5774   RRcr 7622   0cc0 7623   1c1 7624   + caddc 7626   x. cmul 7628   < clt 7803   <_ cle 7804   NNcn 8723   NN0cn0 8980   ^cexp 10295   !cfa 10474

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 105  ax-ia2 106  ax-ia3 107  ax-in1 603  ax-in2 604  ax-io 698  ax-5 1423  ax-7 1424  ax-gen 1425  ax-ie1 1469  ax-ie2 1470  ax-8 1482  ax-10 1483  ax-11 1484  ax-i12 1485  ax-bndl 1486  ax-4 1487  ax-13 1491  ax-14 1492  ax-17 1506  ax-i9 1510  ax-ial 1514  ax-i5r 1515  ax-ext 2121  ax-coll 4043  ax-sep 4046  ax-nul 4054  ax-pow 4098  ax-pr 4131  ax-un 4355  ax-setind 4452  ax-iinf 4502  ax-cnex 7714  ax-resscn 7715  ax-1cn 7716  ax-1re 7717  ax-icn 7718  ax-addcl 7719  ax-addrcl 7720  ax-mulcl 7721  ax-mulrcl 7722  ax-addcom 7723  ax-mulcom 7724  ax-addass 7725  ax-mulass 7726  ax-distr 7727  ax-i2m1 7728  ax-0lt1 7729  ax-1rid 7730  ax-0id 7731  ax-rnegex 7732  ax-precex 7733  ax-cnre 7734  ax-pre-ltirr 7735  ax-pre-ltwlin 7736  ax-pre-lttrn 7737  ax-pre-apti 7738  ax-pre-ltadd 7739  ax-pre-mulgt0 7740  ax-pre-mulext 7741

This theorem depends on definitions:  df-bi 116  df-dc 820  df-3or 963  df-3an 964  df-tru 1334  df-fal 1337  df-nf 1437  df-sb 1736  df-eu 2002  df-mo 2003  df-clab 2126  df-cleq 2132  df-clel 2135  df-nfc 2270  df-ne 2309  df-nel 2404  df-ral 2421  df-rex 2422  df-reu 2423  df-rmo 2424  df-rab 2425  df-v 2688  df-sbc 2910  df-csb 3004  df-dif 3073  df-un 3075  df-in 3077  df-ss 3084  df-nul 3364  df-if 3475  df-pw 3512  df-sn 3533  df-pr 3534  df-op 3536  df-uni 3737  df-int 3772  df-iun 3815  df-br 3930  df-opab 3990  df-mpt 3991  df-tr 4027  df-id 4215  df-po 4218  df-iso 4219  df-iord 4288  df-on 4290  df-ilim 4291  df-suc 4293  df-iom 4505  df-xp 4545  df-rel 4546  df-cnv 4547  df-co 4548  df-dm 4549  df-rn 4550  df-res 4551  df-ima 4552  df-iota 5088  df-fun 5125  df-fn 5126  df-f 5127  df-f1 5128  df-fo 5129  df-f1o 5130  df-fv 5131  df-riota 5730  df-ov 5777  df-oprab 5778  df-mpo 5779  df-1st 6038  df-2nd 6039  df-recs 6202  df-frec 6288  df-pnf 7805  df-mnf 7806  df-xr 7807  df-ltxr 7808  df-le 7809  df-sub 7938  df-neg 7939  df-reap 8340  df-ap 8347  df-div 8436  df-inn 8724  df-n0 8981  df-z 9058  df-uz 9330  df-seqfrec 10222  df-exp 10296  df-fac 10475

This theorem is referenced by: (None)