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Theorem facavg 13872
Description: The product of two factorials is greater than or equal to the factorial of (the floor of) their average. (Contributed by NM, 9-Dec-2005.)
Assertion
Ref Expression
facavg ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))

Proof of Theorem facavg
StepHypRef Expression
1 nn0readdcl 12161 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑀 + 𝑁) ∈ ℝ)
21rehalfcld 12082 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝑀 + 𝑁) / 2) ∈ ℝ)
3 flle 13379 . . . . 5 (((𝑀 + 𝑁) / 2) ∈ ℝ → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2))
42, 3syl 17 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2))
5 reflcl 13376 . . . . . 6 (((𝑀 + 𝑁) / 2) ∈ ℝ → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℝ)
62, 5syl 17 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℝ)
7 nn0re 12104 . . . . . 6 (𝑀 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℝ)
87adantr 484 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → 𝑀 ∈ ℝ)
9 letr 10931 . . . . 5 (((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℝ ∧ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ∈ ℝ ∧ 𝑀 ∈ ℝ) → (((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ∧ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑀) → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑀))
106, 2, 8, 9syl3anc 1373 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ∧ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑀) → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑀))
114, 10mpand 695 . . 3 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑀 → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑀))
12 nn0addcl 12130 . . . . . . 7 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑀 + 𝑁) ∈ ℕ0)
1312nn0ge0d 12158 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → 0 ≤ (𝑀 + 𝑁))
14 halfnneg2 12066 . . . . . . 7 ((𝑀 + 𝑁) ∈ ℝ → (0 ≤ (𝑀 + 𝑁) ↔ 0 ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2)))
151, 14syl 17 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (0 ≤ (𝑀 + 𝑁) ↔ 0 ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2)))
1613, 15mpbid 235 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → 0 ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2))
17 flge0nn0 13400 . . . . 5 ((((𝑀 + 𝑁) / 2) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2)) → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℕ0)
182, 16, 17syl2anc 587 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℕ0)
19 simpl 486 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → 𝑀 ∈ ℕ0)
20 facwordi 13860 . . . . 5 (((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ0 ∧ (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑀) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑀))
21203exp 1121 . . . 4 ((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℕ0 → (𝑀 ∈ ℕ0 → ((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑀 → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑀))))
2218, 19, 21sylc 65 . . 3 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑀 → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑀)))
23 faccl 13854 . . . . . . . 8 (𝑀 ∈ ℕ0 → (!‘𝑀) ∈ ℕ)
2423nncnd 11851 . . . . . . 7 (𝑀 ∈ ℕ0 → (!‘𝑀) ∈ ℂ)
2524mulid1d 10855 . . . . . 6 (𝑀 ∈ ℕ0 → ((!‘𝑀) · 1) = (!‘𝑀))
2625adantr 484 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((!‘𝑀) · 1) = (!‘𝑀))
27 faccl 13854 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ0 → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
2827nnred 11850 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ0 → (!‘𝑁) ∈ ℝ)
2928adantl 485 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (!‘𝑁) ∈ ℝ)
3023nnred 11850 . . . . . . . 8 (𝑀 ∈ ℕ0 → (!‘𝑀) ∈ ℝ)
3123nnnn0d 12155 . . . . . . . . 9 (𝑀 ∈ ℕ0 → (!‘𝑀) ∈ ℕ0)
3231nn0ge0d 12158 . . . . . . . 8 (𝑀 ∈ ℕ0 → 0 ≤ (!‘𝑀))
3330, 32jca 515 . . . . . . 7 (𝑀 ∈ ℕ0 → ((!‘𝑀) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (!‘𝑀)))
3433adantr 484 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((!‘𝑀) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (!‘𝑀)))
3527nnge1d 11883 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ0 → 1 ≤ (!‘𝑁))
3635adantl 485 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → 1 ≤ (!‘𝑁))
37 1re 10838 . . . . . . 7 1 ∈ ℝ
38 lemul2a 11692 . . . . . . 7 (((1 ∈ ℝ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ ((!‘𝑀) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (!‘𝑀))) ∧ 1 ≤ (!‘𝑁)) → ((!‘𝑀) · 1) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
3937, 38mp3anl1 1457 . . . . . 6 ((((!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ ((!‘𝑀) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (!‘𝑀))) ∧ 1 ≤ (!‘𝑁)) → ((!‘𝑀) · 1) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
4029, 34, 36, 39syl21anc 838 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((!‘𝑀) · 1) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
4126, 40eqbrtrrd 5082 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (!‘𝑀) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
4218faccld 13855 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ∈ ℕ)
4342nnred 11850 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ∈ ℝ)
4430adantr 484 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (!‘𝑀) ∈ ℝ)
45 remulcl 10819 . . . . . 6 (((!‘𝑀) ∈ ℝ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℝ) → ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ)
4630, 28, 45syl2an 599 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ)
47 letr 10931 . . . . 5 (((!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ∈ ℝ ∧ (!‘𝑀) ∈ ℝ ∧ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ) → (((!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑀) ∧ (!‘𝑀) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))))
4843, 44, 46, 47syl3anc 1373 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑀) ∧ (!‘𝑀) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))))
4941, 48mpan2d 694 . . 3 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑀) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))))
5011, 22, 493syld 60 . 2 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑀 → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))))
51 nn0re 12104 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℝ)
5251adantl 485 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → 𝑁 ∈ ℝ)
53 letr 10931 . . . . 5 (((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℝ ∧ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ∈ ℝ ∧ 𝑁 ∈ ℝ) → (((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ∧ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑁) → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑁))
546, 2, 52, 53syl3anc 1373 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ∧ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑁) → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑁))
554, 54mpand 695 . . 3 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑁 → (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑁))
56 simpr 488 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → 𝑁 ∈ ℕ0)
57 facwordi 13860 . . . . 5 (((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0 ∧ (⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑁) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑁))
58573exp 1121 . . . 4 ((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ∈ ℕ0 → (𝑁 ∈ ℕ0 → ((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑁 → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑁))))
5918, 56, 58sylc 65 . . 3 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2)) ≤ 𝑁 → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑁)))
6027nncnd 11851 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ0 → (!‘𝑁) ∈ ℂ)
6160mulid2d 10856 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ0 → (1 · (!‘𝑁)) = (!‘𝑁))
6261adantl 485 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (1 · (!‘𝑁)) = (!‘𝑁))
6327nnnn0d 12155 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ0 → (!‘𝑁) ∈ ℕ0)
6463nn0ge0d 12158 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ0 → 0 ≤ (!‘𝑁))
6528, 64jca 515 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ0 → ((!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (!‘𝑁)))
6665adantl 485 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (!‘𝑁)))
6723nnge1d 11883 . . . . . . 7 (𝑀 ∈ ℕ0 → 1 ≤ (!‘𝑀))
6867adantr 484 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → 1 ≤ (!‘𝑀))
69 lemul1a 11691 . . . . . . 7 (((1 ∈ ℝ ∧ (!‘𝑀) ∈ ℝ ∧ ((!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (!‘𝑁))) ∧ 1 ≤ (!‘𝑀)) → (1 · (!‘𝑁)) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
7037, 69mp3anl1 1457 . . . . . 6 ((((!‘𝑀) ∈ ℝ ∧ ((!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (!‘𝑁))) ∧ 1 ≤ (!‘𝑀)) → (1 · (!‘𝑁)) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
7144, 66, 68, 70syl21anc 838 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (1 · (!‘𝑁)) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
7262, 71eqbrtrrd 5082 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (!‘𝑁) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
73 letr 10931 . . . . 5 (((!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ∈ ℝ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ) → (((!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑁) ∧ (!‘𝑁) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))))
7443, 29, 46, 73syl3anc 1373 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑁) ∧ (!‘𝑁) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))))
7572, 74mpan2d 694 . . 3 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → ((!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ (!‘𝑁) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))))
7655, 59, 753syld 60 . 2 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑁 → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁))))
77 avgle 12077 . . 3 ((𝑀 ∈ ℝ ∧ 𝑁 ∈ ℝ) → (((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑀 ∨ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑁))
787, 51, 77syl2an 599 . 2 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑀 ∨ ((𝑀 + 𝑁) / 2) ≤ 𝑁))
7950, 76, 78mpjaod 860 1 ((𝑀 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (!‘(⌊‘((𝑀 + 𝑁) / 2))) ≤ ((!‘𝑀) · (!‘𝑁)))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 209  wa 399  wo 847   = wceq 1543  wcel 2110   class class class wbr 5058  cfv 6385  (class class class)co 7218  cr 10733  0cc0 10734  1c1 10735   + caddc 10737   · cmul 10739  cle 10873   / cdiv 11494  2c2 11890  0cn0 12095  cfl 13370  !cfa 13844
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1803  ax-4 1817  ax-5 1918  ax-6 1976  ax-7 2016  ax-8 2112  ax-9 2120  ax-10 2141  ax-11 2158  ax-12 2175  ax-ext 2708  ax-sep 5197  ax-nul 5204  ax-pow 5263  ax-pr 5327  ax-un 7528  ax-cnex 10790  ax-resscn 10791  ax-1cn 10792  ax-icn 10793  ax-addcl 10794  ax-addrcl 10795  ax-mulcl 10796  ax-mulrcl 10797  ax-mulcom 10798  ax-addass 10799  ax-mulass 10800  ax-distr 10801  ax-i2m1 10802  ax-1ne0 10803  ax-1rid 10804  ax-rnegex 10805  ax-rrecex 10806  ax-cnre 10807  ax-pre-lttri 10808  ax-pre-lttrn 10809  ax-pre-ltadd 10810  ax-pre-mulgt0 10811  ax-pre-sup 10812
This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 400  df-or 848  df-3or 1090  df-3an 1091  df-tru 1546  df-fal 1556  df-ex 1788  df-nf 1792  df-sb 2071  df-mo 2539  df-eu 2568  df-clab 2715  df-cleq 2729  df-clel 2816  df-nfc 2886  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3066  df-rex 3067  df-reu 3068  df-rmo 3069  df-rab 3070  df-v 3415  df-sbc 3700  df-csb 3817  df-dif 3874  df-un 3876  df-in 3878  df-ss 3888  df-pss 3890  df-nul 4243  df-if 4445  df-pw 4520  df-sn 4547  df-pr 4549  df-tp 4551  df-op 4553  df-uni 4825  df-iun 4911  df-br 5059  df-opab 5121  df-mpt 5141  df-tr 5167  df-id 5460  df-eprel 5465  df-po 5473  df-so 5474  df-fr 5514  df-we 5516  df-xp 5562  df-rel 5563  df-cnv 5564  df-co 5565  df-dm 5566  df-rn 5567  df-res 5568  df-ima 5569  df-pred 6165  df-ord 6221  df-on 6222  df-lim 6223  df-suc 6224  df-iota 6343  df-fun 6387  df-fn 6388  df-f 6389  df-f1 6390  df-fo 6391  df-f1o 6392  df-fv 6393  df-riota 7175  df-ov 7221  df-oprab 7222  df-mpo 7223  df-om 7650  df-2nd 7767  df-wrecs 8052  df-recs 8113  df-rdg 8151  df-er 8396  df-en 8632  df-dom 8633  df-sdom 8634  df-sup 9063  df-inf 9064  df-pnf 10874  df-mnf 10875  df-xr 10876  df-ltxr 10877  df-le 10878  df-sub 11069  df-neg 11070  df-div 11495  df-nn 11836  df-2 11898  df-n0 12096  df-z 12182  df-uz 12444  df-fl 13372  df-seq 13580  df-fac 13845
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