Theorem facubnd 10819

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 5555	. . . 4 |- ( m = 0 -> ( ! ` m ) = ( ! ` 0 ) )
2		fac0 10802	. . . 4 |- ( ! ` 0 ) = 1
3	1, 2	eqtrdi 2242	. . 3 |- ( m = 0 -> ( ! ` m ) = 1 )
4		id 19	. . . . 5 |- ( m = 0 -> m = 0 )
5	4, 4	oveq12d 5937	. . . 4 |- ( m = 0 -> ( m ^ m ) = ( 0 ^ 0 ) )
6		0exp0e1 10618	. . . 4 |- ( 0 ^ 0 ) = 1
7	5, 6	eqtrdi 2242	. . 3 |- ( m = 0 -> ( m ^ m ) = 1 )
8	3, 7	breq12d 4043	. 2 |- ( m = 0 -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> 1 <_ 1 ) )
9		fveq2 5555	. . 3 |- ( m = k -> ( ! ` m ) = ( ! ` k ) )
10		id 19	. . . 4 |- ( m = k -> m = k )
11	10, 10	oveq12d 5937	. . 3 |- ( m = k -> ( m ^ m ) = ( k ^ k ) )
12	9, 11	breq12d 4043	. 2 |- ( m = k -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) )
13		fveq2 5555	. . 3 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( ! ` m ) = ( ! ` ( k + 1 ) ) )
14		id 19	. . . 4 |- ( m = ( k + 1 ) -> m = ( k + 1 ) )
15	14, 14	oveq12d 5937	. . 3 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( m ^ m ) = ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) )
16	13, 15	breq12d 4043	. 2 |- ( m = ( k + 1 ) -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` ( k + 1 ) ) <_ ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) ) )
17		fveq2 5555	. . 3 |- ( m = N -> ( ! ` m ) = ( ! ` N ) )
18		id 19	. . . 4 |- ( m = N -> m = N )
19	18, 18	oveq12d 5937	. . 3 |- ( m = N -> ( m ^ m ) = ( N ^ N ) )
20	17, 19	breq12d 4043	. 2 |- ( m = N -> ( ( ! ` m ) <_ ( m ^ m ) <-> ( ! ` N ) <_ ( N ^ N ) ) )
21		1le1 8593	. 2 |- 1 <_ 1
22		faccl 10809	. . . . . . . 8 |- ( k e. NN0 -> ( ! ` k ) e. NN )
23	22	adantr 276	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) e. NN )
24	23	nnred 8997	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) e. RR )
25		nn0re 9252	. . . . . . . 8 |- ( k e. NN0 -> k e. RR )
26	25	adantr 276	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> k e. RR )
27		simpl 109	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> k e. NN0 )
28	26, 27	reexpcld 10764	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k ^ k ) e. RR )
29		nn0p1nn 9282	. . . . . . . . 9 |- ( k e. NN0 -> ( k + 1 ) e. NN )
30	29	adantr 276	. . . . . . . 8 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k + 1 ) e. NN )
31	30	nnred 8997	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k + 1 ) e. RR )
32	31, 27	reexpcld 10764	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ( k + 1 ) ^ k ) e. RR )
33		simpr 110	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) )
34		nn0ge0 9268	. . . . . . . 8 |- ( k e. NN0 -> 0 <_ k )
35	34	adantr 276	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> 0 <_ k )
36	26	lep1d 8952	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> k <_ ( k + 1 ) )
37		leexp1a 10668	. . . . . . 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 1257	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k ^ k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) )
39	24, 28, 32, 33, 38	letrd 8145	. . . . 5 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` k ) <_ ( ( k + 1 ) ^ k ) )
40	30	nngt0d 9028	. . . . . 6 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> 0 < ( k + 1 ) )
41		lemul1 8614	. . . . . 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 1253	. . . . 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 147	. . . 4 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ( ! ` k ) x. ( k + 1 ) ) <_ ( ( ( k + 1 ) ^ k ) x. ( k + 1 ) ) )
44		facp1 10804	. . . . 5 |- ( k e. NN0 -> ( ! ` ( k + 1 ) ) = ( ( ! ` k ) x. ( k + 1 ) ) )
45	44	adantr 276	. . . 4 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` ( k + 1 ) ) = ( ( ! ` k ) x. ( k + 1 ) ) )
46	30	nncnd 8998	. . . . 5 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( k + 1 ) e. CC )
47	46, 27	expp1d 10748	. . . 4 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) = ( ( ( k + 1 ) ^ k ) x. ( k + 1 ) ) )
48	43, 45, 47	3brtr4d 4062	. . 3 |- ( ( k e. NN0 /\ ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) ) -> ( ! ` ( k + 1 ) ) <_ ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) )
49	48	ex 115	. 2 |- ( k e. NN0 -> ( ( ! ` k ) <_ ( k ^ k ) -> ( ! ` ( k + 1 ) ) <_ ( ( k + 1 ) ^ ( k + 1 ) ) ) )
50	8, 12, 16, 20, 21, 49	nn0ind 9434	1 |- ( N e. NN0 -> ( ! ` N ) <_ ( N ^ N ) )

Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 104   <-> wb 105   = wceq 1364   e. wcel 2164   class class class wbr 4030   ` cfv 5255  (class class class)co 5919   RRcr 7873   0cc0 7874   1c1 7875   + caddc 7877   x. cmul 7879   < clt 8056   <_ cle 8057   NNcn 8984   NN0cn0 9243   ^cexp 10612   !cfa 10799

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 615  ax-in2 616  ax-io 710  ax-5 1458  ax-7 1459  ax-gen 1460  ax-ie1 1504  ax-ie2 1505  ax-8 1515  ax-10 1516  ax-11 1517  ax-i12 1518  ax-bndl 1520  ax-4 1521  ax-17 1537  ax-i9 1541  ax-ial 1545  ax-i5r 1546  ax-13 2166  ax-14 2167  ax-ext 2175  ax-coll 4145  ax-sep 4148  ax-nul 4156  ax-pow 4204  ax-pr 4239  ax-un 4465  ax-setind 4570  ax-iinf 4621  ax-cnex 7965  ax-resscn 7966  ax-1cn 7967  ax-1re 7968  ax-icn 7969  ax-addcl 7970  ax-addrcl 7971  ax-mulcl 7972  ax-mulrcl 7973  ax-addcom 7974  ax-mulcom 7975  ax-addass 7976  ax-mulass 7977  ax-distr 7978  ax-i2m1 7979  ax-0lt1 7980  ax-1rid 7981  ax-0id 7982  ax-rnegex 7983  ax-precex 7984  ax-cnre 7985  ax-pre-ltirr 7986  ax-pre-ltwlin 7987  ax-pre-lttrn 7988  ax-pre-apti 7989  ax-pre-ltadd 7990  ax-pre-mulgt0 7991  ax-pre-mulext 7992

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 836  df-3or 981  df-3an 982  df-tru 1367  df-fal 1370  df-nf 1472  df-sb 1774  df-eu 2045  df-mo 2046  df-clab 2180  df-cleq 2186  df-clel 2189  df-nfc 2325  df-ne 2365  df-nel 2460  df-ral 2477  df-rex 2478  df-reu 2479  df-rmo 2480  df-rab 2481  df-v 2762  df-sbc 2987  df-csb 3082  df-dif 3156  df-un 3158  df-in 3160  df-ss 3167  df-nul 3448  df-if 3559  df-pw 3604  df-sn 3625  df-pr 3626  df-op 3628  df-uni 3837  df-int 3872  df-iun 3915  df-br 4031  df-opab 4092  df-mpt 4093  df-tr 4129  df-id 4325  df-po 4328  df-iso 4329  df-iord 4398  df-on 4400  df-ilim 4401  df-suc 4403  df-iom 4624  df-xp 4666  df-rel 4667  df-cnv 4668  df-co 4669  df-dm 4670  df-rn 4671  df-res 4672  df-ima 4673  df-iota 5216  df-fun 5257  df-fn 5258  df-f 5259  df-f1 5260  df-fo 5261  df-f1o 5262  df-fv 5263  df-riota 5874  df-ov 5922  df-oprab 5923  df-mpo 5924  df-1st 6195  df-2nd 6196  df-recs 6360  df-frec 6446  df-pnf 8058  df-mnf 8059  df-xr 8060  df-ltxr 8061  df-le 8062  df-sub 8194  df-neg 8195  df-reap 8596  df-ap 8603  df-div 8694  df-inn 8985  df-n0 9244  df-z 9321  df-uz 9596  df-seqfrec 10522  df-exp 10613  df-fac 10800

This theorem is referenced by: (None)