Theorem facubnd 10623

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 5469	. . . 4 |- ( m = 0 -> ( ! ` m ) = ( ! ` 0 ) )
2		fac0 10606	. . . 4 |- ( ! ` 0 ) = 1
3	1, 2	eqtrdi 2206	. . 3 |- ( m = 0 -> ( ! ` m ) = 1 )
4		id 19	. . . . 5 |- ( m = 0 -> m = 0 )
5	4, 4	oveq12d 5843	. . . 4 |- ( m = 0 -> ( m ^ m ) = ( 0 ^ 0 ) )
6		0exp0e1 10428	. . . 4 |- ( 0 ^ 0 ) = 1
7	5, 6	eqtrdi 2206	. . 3 |- ( m = 0 -> ( m ^ m ) = 1 )
8	3, 7	breq12d 3979	. 2 |- ( m = 0 -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> 1 <_ 1 ) )
9		fveq2 5469	. . 3 |- ( m = k -> ( ! ` m ) = ( ! ` k ) )
10		id 19	. . . 4 |- ( m = k -> m = k )
11	10, 10	oveq12d 5843	. . 3 |- ( m = k -> ( m ^ m ) = ( k ^ k ) )
12	9, 11	breq12d 3979	. 2 |- ( m = k -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) )
13		fveq2 5469	. . 3 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( ! ` m ) = ( ! ` ( k + 1 ) ) )
14		id 19	. . . 4 |- ( m = ( k + 1 ) -> m = ( k + 1 ) )
15	14, 14	oveq12d 5843	. . 3 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( m ^ m ) = ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) )
16	13, 15	breq12d 3979	. 2 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` ( k + 1 ) ) <_ ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) ) )
17		fveq2 5469	. . 3 |- ( m = N -> ( ! ` m ) = ( ! ` N ) )
18		id 19	. . . 4 |- ( m = N -> m = N )
19	18, 18	oveq12d 5843	. . 3 |- ( m = N -> ( m ^ m ) = ( N ^ N ) )
20	17, 19	breq12d 3979	. 2 |- ( m = N -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` N ) <_ ( N ^ N ) ) )
21		1le1 8448	. 2 |- 1 <_ 1
22		faccl 10613	. . . . . . . 8 |- ( k e. NN0 -> ( ! ` k ) e. NN )
23	22	adantr 274	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) e. NN )
24	23	nnred 8847	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) e. RR )
25		nn0re 9100	. . . . . . . 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 10572	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k ^ k ) e. RR )
29		nn0p1nn 9130	. . . . . . . . 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 8847	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k + 1 ) e. RR )
32	31, 27	reexpcld 10572	. . . . . 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 9116	. . . . . . . 8 |- ( k e. NN0 -> 0 <_ k )
35	34	adantr 274	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> 0 <_ k )
36	26	lep1d 8803	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> k <_ ( k + 1 ) )
37		leexp1a 10478	. . . . . . 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 1228	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k ^ k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) )
39	24, 28, 32, 33, 38	letrd 8000	. . . . 5 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) )
40	30	nngt0d 8878	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> 0 < ( k + 1 ) )
41		lemul1 8469	. . . . . 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 1224	. . . . 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 10608	. . . . 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 8848	. . . . 5 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k + 1 ) e. CC )
47	46, 27	expp1d 10556	. . . 4 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) = ( ( ( k + 1 ) ^ k ) x. ( k + 1 ) ) )
48	43, 45, 47	3brtr4d 3997	. . 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 9279	1 |- ( N e. NN0 -> ( ! ` N ) <_ ( N ^ N ) )

Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 103   <-> wb 104   = wceq 1335   e. wcel 2128   class class class wbr 3966   ` cfv 5171  (class class class)co 5825   RRcr 7732   0cc0 7733   1c1 7734   + caddc 7736   x. cmul 7738   < clt 7913   <_ cle 7914   NNcn 8834   NN0cn0 9091   ^cexp 10422   !cfa 10603

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 604  ax-in2 605  ax-io 699  ax-5 1427  ax-7 1428  ax-gen 1429  ax-ie1 1473  ax-ie2 1474  ax-8 1484  ax-10 1485  ax-11 1486  ax-i12 1487  ax-bndl 1489  ax-4 1490  ax-17 1506  ax-i9 1510  ax-ial 1514  ax-i5r 1515  ax-13 2130  ax-14 2131  ax-ext 2139  ax-coll 4080  ax-sep 4083  ax-nul 4091  ax-pow 4136  ax-pr 4170  ax-un 4394  ax-setind 4497  ax-iinf 4548  ax-cnex 7824  ax-resscn 7825  ax-1cn 7826  ax-1re 7827  ax-icn 7828  ax-addcl 7829  ax-addrcl 7830  ax-mulcl 7831  ax-mulrcl 7832  ax-addcom 7833  ax-mulcom 7834  ax-addass 7835  ax-mulass 7836  ax-distr 7837  ax-i2m1 7838  ax-0lt1 7839  ax-1rid 7840  ax-0id 7841  ax-rnegex 7842  ax-precex 7843  ax-cnre 7844  ax-pre-ltirr 7845  ax-pre-ltwlin 7846  ax-pre-lttrn 7847  ax-pre-apti 7848  ax-pre-ltadd 7849  ax-pre-mulgt0 7850  ax-pre-mulext 7851

This theorem depends on definitions:  df-bi 116  df-dc 821  df-3or 964  df-3an 965  df-tru 1338  df-fal 1341  df-nf 1441  df-sb 1743  df-eu 2009  df-mo 2010  df-clab 2144  df-cleq 2150  df-clel 2153  df-nfc 2288  df-ne 2328  df-nel 2423  df-ral 2440  df-rex 2441  df-reu 2442  df-rmo 2443  df-rab 2444  df-v 2714  df-sbc 2938  df-csb 3032  df-dif 3104  df-un 3106  df-in 3108  df-ss 3115  df-nul 3395  df-if 3506  df-pw 3545  df-sn 3566  df-pr 3567  df-op 3569  df-uni 3774  df-int 3809  df-iun 3852  df-br 3967  df-opab 4027  df-mpt 4028  df-tr 4064  df-id 4254  df-po 4257  df-iso 4258  df-iord 4327  df-on 4329  df-ilim 4330  df-suc 4332  df-iom 4551  df-xp 4593  df-rel 4594  df-cnv 4595  df-co 4596  df-dm 4597  df-rn 4598  df-res 4599  df-ima 4600  df-iota 5136  df-fun 5173  df-fn 5174  df-f 5175  df-f1 5176  df-fo 5177  df-f1o 5178  df-fv 5179  df-riota 5781  df-ov 5828  df-oprab 5829  df-mpo 5830  df-1st 6089  df-2nd 6090  df-recs 6253  df-frec 6339  df-pnf 7915  df-mnf 7916  df-xr 7917  df-ltxr 7918  df-le 7919  df-sub 8049  df-neg 8050  df-reap 8451  df-ap 8458  df-div 8547  df-inn 8835  df-n0 9092  df-z 9169  df-uz 9441  df-seqfrec 10349  df-exp 10423  df-fac 10604

This theorem is referenced by: (None)