MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  birthday Unicode version

Theorem birthday 20081
Description: The Birthday Problem. There is a more than even chance that out of 23 people in a room, at least two of them have the same birthday. Mathematically, this is asserting that for  K  =  2 3 and  N  =  3 6 5, fewer than half of the set of all functions from  1 ... K to  1 ... N are injective. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Apr-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
birthday.s  |-  S  =  { f  |  f : ( 1 ... K ) --> ( 1 ... N ) }
birthday.t  |-  T  =  { f  |  f : ( 1 ... K ) -1-1-> ( 1 ... N ) }
birthday.k  |-  K  = ; 2
3
birthday.n  |-  N  = ;; 3 6 5
Assertion
Ref Expression
birthday  |-  ( (
# `  T )  /  ( # `  S
) )  <  (
1  /  2 )
Distinct variable groups:    f, K    f, N
Allowed substitution hints:    S( f)    T( f)

Proof of Theorem birthday
StepHypRef Expression
1 birthday.k . . . 4  |-  K  = ; 2
3
2 2nn0 9861 . . . . 5  |-  2  e.  NN0
3 3nn0 9862 . . . . 5  |-  3  e.  NN0
42, 3deccl 10017 . . . 4  |- ; 2 3  e.  NN0
51, 4eqeltri 2323 . . 3  |-  K  e. 
NN0
6 birthday.n . . . 4  |-  N  = ;; 3 6 5
7 6nn0 9865 . . . . . 6  |-  6  e.  NN0
83, 7deccl 10017 . . . . 5  |- ; 3 6  e.  NN0
9 5nn 9759 . . . . 5  |-  5  e.  NN
108, 9decnncl 10016 . . . 4  |- ;; 3 6 5  e.  NN
116, 10eqeltri 2323 . . 3  |-  N  e.  NN
12 birthday.s . . . 4  |-  S  =  { f  |  f : ( 1 ... K ) --> ( 1 ... N ) }
13 birthday.t . . . 4  |-  T  =  { f  |  f : ( 1 ... K ) -1-1-> ( 1 ... N ) }
1412, 13birthdaylem3 20080 . . 3  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  N  e.  NN )  ->  ( ( # `  T
)  /  ( # `  S ) )  <_ 
( exp `  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N ) ) )
155, 11, 14mp2an 656 . 2  |-  ( (
# `  T )  /  ( # `  S
) )  <_  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )
16 log2ub 20077 . . . . . 6  |-  ( log `  2 )  < 
(;; 2 5 3  / ;; 3 6 5 )
175nn0cni 9856 . . . . . . . . . . . 12  |-  K  e.  CC
1817sqvali 11061 . . . . . . . . . . 11  |-  ( K ^ 2 )  =  ( K  x.  K
)
1917mulid1i 8719 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( K  x.  1 )  =  K
2019eqcomi 2257 . . . . . . . . . . 11  |-  K  =  ( K  x.  1 )
2118, 20oveq12i 5722 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( K ^ 2 )  -  K )  =  ( ( K  x.  K )  -  ( K  x.  1 ) )
22 ax-1cn 8675 . . . . . . . . . . 11  |-  1  e.  CC
2317, 17, 22subdii 9108 . . . . . . . . . 10  |-  ( K  x.  ( K  - 
1 ) )  =  ( ( K  x.  K )  -  ( K  x.  1 ) )
2421, 23eqtr4i 2276 . . . . . . . . 9  |-  ( ( K ^ 2 )  -  K )  =  ( K  x.  ( K  -  1 ) )
2524oveq1i 5720 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  =  ( ( K  x.  ( K  -  1
) )  /  2
)
2617, 22subcli 9002 . . . . . . . . . 10  |-  ( K  -  1 )  e.  CC
27 2cn 9696 . . . . . . . . . 10  |-  2  e.  CC
28 2ne0 9709 . . . . . . . . . 10  |-  2  =/=  0
2917, 26, 27, 28divassi 9396 . . . . . . . . 9  |-  ( ( K  x.  ( K  -  1 ) )  /  2 )  =  ( K  x.  (
( K  -  1 )  /  2 ) )
30 1nn0 9860 . . . . . . . . . 10  |-  1  e.  NN0
31 2p1e3 9726 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( 2  +  1 )  =  3
32 eqid 2253 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |- ; 2 2  = ; 2 2
332, 2, 31, 32decsuc 10026 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  (; 2 2  +  1 )  = ; 2 3
341, 33eqtr4i 2276 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  K  =  (; 2 2  +  1 )
3534oveq1i 5720 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( K  -  1 )  =  ( (; 2 2  +  1 )  -  1 )
362, 2deccl 10017 . . . . . . . . . . . . . . 15  |- ; 2 2  e.  NN0
3736nn0cni 9856 . . . . . . . . . . . . . 14  |- ; 2 2  e.  CC
38 pncan 8937 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( (; 2
2  e.  CC  /\  1  e.  CC )  ->  ( (; 2 2  +  1 )  -  1 )  = ; 2 2 )
3937, 22, 38mp2an 656 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( (; 2
2  +  1 )  -  1 )  = ; 2
2
4035, 39eqtri 2273 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( K  -  1 )  = ; 2
2
4140oveq1i 5720 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( K  -  1 )  /  2 )  =  (; 2 2  /  2
)
42 eqid 2253 . . . . . . . . . . . . 13  |- ; 1 1  = ; 1 1
43 0nn0 9859 . . . . . . . . . . . . 13  |-  0  e.  NN0
4427mulid1i 8719 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( 2  x.  1 )  =  2
4544oveq1i 5720 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( 2  x.  1 )  +  0 )  =  ( 2  +  0 )
4627addid1i 8879 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( 2  +  0 )  =  2
4745, 46eqtri 2273 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( 2  x.  1 )  +  0 )  =  2
482dec0h 10019 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  2  = ; 0 2
4944, 48eqtri 2273 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( 2  x.  1 )  = ; 0
2
502, 30, 30, 42, 2, 43, 47, 49decmul2c 10051 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( 2  x. ; 1 1 )  = ; 2
2
5130, 30deccl 10017 . . . . . . . . . . . . . 14  |- ; 1 1  e.  NN0
5251nn0cni 9856 . . . . . . . . . . . . 13  |- ; 1 1  e.  CC
5337, 27, 52, 28divmuli 9394 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( (; 2
2  /  2 )  = ; 1 1  <->  ( 2  x. ; 1 1 )  = ; 2
2 )
5450, 53mpbir 202 . . . . . . . . . . 11  |-  (; 2 2  /  2
)  = ; 1 1
5541, 54eqtri 2273 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( K  -  1 )  /  2 )  = ; 1
1
5619, 1eqtri 2273 . . . . . . . . . . 11  |-  ( K  x.  1 )  = ; 2
3
57 3p2e5 9734 . . . . . . . . . . 11  |-  ( 3  +  2 )  =  5
582, 3, 2, 56, 57decaddi 10047 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( K  x.  1 )  +  2 )  = ; 2
5
595, 30, 30, 55, 3, 2, 58, 56decmul2c 10051 . . . . . . . . 9  |-  ( K  x.  ( ( K  -  1 )  / 
2 ) )  = ;; 2 5 3
6029, 59eqtri 2273 . . . . . . . 8  |-  ( ( K  x.  ( K  -  1 ) )  /  2 )  = ;; 2 5 3
6125, 60eqtri 2273 . . . . . . 7  |-  ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  = ;; 2 5 3
6261, 6oveq12i 5722 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( K ^
2 )  -  K
)  /  2 )  /  N )  =  (;; 2 5 3  / ;; 3 6 5 )
6316, 62breqtrri 3945 . . . . 5  |-  ( log `  2 )  < 
( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
)
64 2rp 10238 . . . . . . 7  |-  2  e.  RR+
65 relogcl 19764 . . . . . . 7  |-  ( 2  e.  RR+  ->  ( log `  2 )  e.  RR )
6664, 65ax-mp 10 . . . . . 6  |-  ( log `  2 )  e.  RR
67 5nn0 9864 . . . . . . . . . . 11  |-  5  e.  NN0
682, 67deccl 10017 . . . . . . . . . 10  |- ; 2 5  e.  NN0
6968, 3deccl 10017 . . . . . . . . 9  |- ;; 2 5 3  e.  NN0
7061, 69eqeltri 2323 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  e. 
NN0
7170nn0rei 9855 . . . . . . 7  |-  ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  e.  RR
72 nndivre 9661 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  e.  RR  /\  N  e.  NN )  ->  ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
)  e.  RR )
7371, 11, 72mp2an 656 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( K ^
2 )  -  K
)  /  2 )  /  N )  e.  RR
7466, 73ltnegi 9197 . . . . 5  |-  ( ( log `  2 )  <  ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N )  <->  -u ( ( ( ( K ^
2 )  -  K
)  /  2 )  /  N )  <  -u ( log `  2
) )
7563, 74mpbi 201 . . . 4  |-  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N )  <  -u ( log `  2
)
7673renegcli 8988 . . . . 5  |-  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N )  e.  RR
7766renegcli 8988 . . . . 5  |-  -u ( log `  2 )  e.  RR
78 eflt 12271 . . . . 5  |-  ( (
-u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N )  e.  RR  /\  -u ( log `  2
)  e.  RR )  ->  ( -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N )  <  -u ( log `  2
)  <->  ( exp `  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N ) )  <  ( exp `  -u ( log `  2
) ) ) )
7976, 77, 78mp2an 656 . . . 4  |-  ( -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
)  <  -u ( log `  2 )  <->  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
) )  <  ( exp `  -u ( log `  2
) ) )
8075, 79mpbi 201 . . 3  |-  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )  < 
( exp `  -u ( log `  2 ) )
8166recni 8729 . . . . 5  |-  ( log `  2 )  e.  CC
82 efneg 12252 . . . . 5  |-  ( ( log `  2 )  e.  CC  ->  ( exp `  -u ( log `  2
) )  =  ( 1  /  ( exp `  ( log `  2
) ) ) )
8381, 82ax-mp 10 . . . 4  |-  ( exp `  -u ( log `  2
) )  =  ( 1  /  ( exp `  ( log `  2
) ) )
84 reeflog 19766 . . . . . 6  |-  ( 2  e.  RR+  ->  ( exp `  ( log `  2
) )  =  2 )
8564, 84ax-mp 10 . . . . 5  |-  ( exp `  ( log `  2
) )  =  2
8685oveq2i 5721 . . . 4  |-  ( 1  /  ( exp `  ( log `  2 ) ) )  =  ( 1  /  2 )
8783, 86eqtri 2273 . . 3  |-  ( exp `  -u ( log `  2
) )  =  ( 1  /  2 )
8880, 87breqtri 3943 . 2  |-  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )  < 
( 1  /  2
)
8912, 13birthdaylem1 20078 . . . . . . . 8  |-  ( T 
C_  S  /\  S  e.  Fin  /\  ( N  e.  NN  ->  S  =/=  (/) ) )
9089simp2i 970 . . . . . . 7  |-  S  e. 
Fin
9189simp1i 969 . . . . . . 7  |-  T  C_  S
92 ssfi 6968 . . . . . . 7  |-  ( ( S  e.  Fin  /\  T  C_  S )  ->  T  e.  Fin )
9390, 91, 92mp2an 656 . . . . . 6  |-  T  e. 
Fin
94 hashcl 11228 . . . . . 6  |-  ( T  e.  Fin  ->  ( # `
 T )  e. 
NN0 )
9593, 94ax-mp 10 . . . . 5  |-  ( # `  T )  e.  NN0
9695nn0rei 9855 . . . 4  |-  ( # `  T )  e.  RR
9789simp3i 971 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  S  =/=  (/) )
9811, 97ax-mp 10 . . . . 5  |-  S  =/=  (/)
99 hashnncl 11232 . . . . . 6  |-  ( S  e.  Fin  ->  (
( # `  S )  e.  NN  <->  S  =/=  (/) ) )
10090, 99ax-mp 10 . . . . 5  |-  ( (
# `  S )  e.  NN  <->  S  =/=  (/) )
10198, 100mpbir 202 . . . 4  |-  ( # `  S )  e.  NN
102 nndivre 9661 . . . 4  |-  ( ( ( # `  T
)  e.  RR  /\  ( # `  S )  e.  NN )  -> 
( ( # `  T
)  /  ( # `  S ) )  e.  RR )
10396, 101, 102mp2an 656 . . 3  |-  ( (
# `  T )  /  ( # `  S
) )  e.  RR
104 reefcl 12242 . . . 4  |-  ( -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
)  e.  RR  ->  ( exp `  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N ) )  e.  RR )
10576, 104ax-mp 10 . . 3  |-  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )  e.  RR
106 1re 8717 . . . 4  |-  1  e.  RR
107 rehalfcl 9817 . . . 4  |-  ( 1  e.  RR  ->  (
1  /  2 )  e.  RR )
108106, 107ax-mp 10 . . 3  |-  ( 1  /  2 )  e.  RR
109103, 105, 108lelttri 8826 . 2  |-  ( ( ( ( # `  T
)  /  ( # `  S ) )  <_ 
( exp `  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N ) )  /\  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )  < 
( 1  /  2
) )  ->  (
( # `  T )  /  ( # `  S
) )  <  (
1  /  2 ) )
11015, 88, 109mp2an 656 1  |-  ( (
# `  T )  /  ( # `  S
) )  <  (
1  /  2 )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:    -> wi 6    <-> wb 178    = wceq 1619    e. wcel 1621   {cab 2239    =/= wne 2412    C_ wss 3078   (/)c0 3362   class class class wbr 3920   -->wf 4588   -1-1->wf1 4589   ` cfv 4592  (class class class)co 5710   Fincfn 6749   CCcc 8615   RRcr 8616   0cc0 8617   1c1 8618    + caddc 8620    x. cmul 8622    < clt 8747    <_ cle 8748    - cmin 8917   -ucneg 8918    / cdiv 9303   NNcn 9626   2c2 9675   3c3 9676   5c5 9678   6c6 9679   NN0cn0 9844  ;cdc 10003   RR+crp 10233   ...cfz 10660   ^cexp 10982   #chash 11215   expce 12217   logclog 19744
This theorem was proved from axioms:  ax-1 7  ax-2 8  ax-3 9  ax-mp 10  ax-5 1533  ax-6 1534  ax-7 1535  ax-gen 1536  ax-8 1623  ax-11 1624  ax-13 1625  ax-14 1626  ax-17 1628  ax-12o 1664  ax-10 1678  ax-9 1684  ax-4 1692  ax-16 1926  ax-ext 2234  ax-rep 4028  ax-sep 4038  ax-nul 4046  ax-pow 4082  ax-pr 4108  ax-un 4403  ax-inf2 7226  ax-cnex 8673  ax-resscn 8674  ax-1cn 8675  ax-icn 8676  ax-addcl 8677  ax-addrcl 8678  ax-mulcl 8679  ax-mulrcl 8680  ax-mulcom 8681  ax-addass 8682  ax-mulass 8683  ax-distr 8684  ax-i2m1 8685  ax-1ne0 8686  ax-1rid 8687  ax-rnegex 8688  ax-rrecex 8689  ax-cnre 8690  ax-pre-lttri 8691  ax-pre-lttrn 8692  ax-pre-ltadd 8693  ax-pre-mulgt0 8694  ax-pre-sup 8695  ax-addf 8696  ax-mulf 8697
This theorem depends on definitions:  df-bi 179  df-or 361  df-an 362  df-3or 940  df-3an 941  df-tru 1315  df-ex 1538  df-nf 1540  df-sb 1883  df-eu 2118  df-mo 2119  df-clab 2240  df-cleq 2246  df-clel 2249  df-nfc 2374  df-ne 2414  df-nel 2415  df-ral 2513  df-rex 2514  df-reu 2515  df-rab 2516  df-v 2729  df-sbc 2922  df-csb 3010  df-dif 3081  df-un 3083  df-in 3085  df-ss 3089  df-pss 3091  df-nul 3363  df-if 3471  df-pw 3532  df-sn 3550  df-pr 3551  df-tp 3552  df-op 3553  df-uni 3728  df-int 3761  df-iun 3805  df-iin 3806  df-br 3921  df-opab 3975  df-mpt 3976  df-tr 4011  df-eprel 4198  df-id 4202  df-po 4207  df-so 4208  df-fr 4245  df-se 4246  df-we 4247  df-ord 4288  df-on 4289  df-lim 4290  df-suc 4291  df-om 4548  df-xp 4594  df-rel 4595  df-cnv 4596  df-co 4597  df-dm 4598  df-rn 4599  df-res 4600  df-ima 4601  df-fun 4602  df-fn 4603  df-f 4604  df-f1 4605  df-fo 4606  df-f1o 4607  df-fv 4608  df-isom 4609  df-ov 5713  df-oprab 5714  df-mpt2 5715  df-of 5930  df-1st 5974  df-2nd 5975  df-iota 6143  df-riota 6190  df-recs 6274  df-rdg 6309  df-1o 6365  df-2o 6366  df-oadd 6369  df-er 6546  df-map 6660  df-pm 6661  df-ixp 6704  df-en 6750  df-dom 6751  df-sdom 6752  df-fin 6753  df-fi 7049  df-sup 7078  df-oi 7109  df-card 7456  df-cda 7678  df-pnf 8749  df-mnf 8750  df-xr 8751  df-ltxr 8752  df-le 8753  df-sub 8919  df-neg 8920  df-div 9304  df-n 9627  df-2 9684  df-3 9685  df-4 9686  df-5 9687  df-6 9688  df-7 9689  df-8 9690  df-9 9691  df-10 9692  df-n0 9845  df-z 9904  df-dec 10004  df-uz 10110  df-q 10196  df-rp 10234  df-xneg 10331  df-xadd 10332  df-xmul 10333  df-ioo 10538  df-ioc 10539  df-ico 10540  df-icc 10541  df-fz 10661  df-fzo 10749  df-fl 10803  df-mod 10852  df-seq 10925  df-exp 10983  df-fac 11167  df-bc 11194  df-hash 11216  df-shft 11439  df-cj 11461  df-re 11462  df-im 11463  df-sqr 11597  df-abs 11598  df-limsup 11822  df-clim 11839  df-rlim 11840  df-sum 12036  df-ef 12223  df-sin 12225  df-cos 12226  df-tan 12227  df-pi 12228  df-divides 12406  df-struct 13024  df-ndx 13025  df-slot 13026  df-base 13027  df-sets 13028  df-ress 13029  df-plusg 13095  df-mulr 13096  df-starv 13097  df-sca 13098  df-vsca 13099  df-tset 13101  df-ple 13102  df-ds 13104  df-hom 13106  df-cco 13107  df-rest 13201  df-topn 13202  df-topgen 13218  df-pt 13219  df-prds 13222  df-xrs 13277  df-0g 13278  df-gsum 13279  df-qtop 13284  df-imas 13285  df-xps 13287  df-mre 13361  df-mrc 13362  df-acs 13363  df-mnd 14202  df-submnd 14251  df-mulg 14327  df-cntz 14628  df-cmn 14926  df-xmet 16205  df-met 16206  df-bl 16207  df-mopn 16208  df-cnfld 16210  df-top 16468  df-bases 16470  df-topon 16471  df-topsp 16472  df-cld 16588  df-ntr 16589  df-cls 16590  df-nei 16667  df-lp 16700  df-perf 16701  df-cn 16789  df-cnp 16790  df-haus 16875  df-cmp 16946  df-tx 17089  df-hmeo 17278  df-fbas 17352  df-fg 17353  df-fil 17373  df-fm 17465  df-flim 17466  df-flf 17467  df-xms 17717  df-ms 17718  df-tms 17719  df-cncf 18214  df-limc 19048  df-dv 19049  df-ulm 19588  df-log 19746  df-atan 19995
  Copyright terms: Public domain W3C validator