MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  faclbnd5 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem faclbnd5 13471
Description: The factorial function grows faster than powers and exponentiations. If we consider 𝐾 and 𝑀 to be constants, the right-hand side of the inequality is a constant times 𝑁-factorial. (Contributed by NM, 24-Dec-2005.)
Assertion
Ref Expression
faclbnd5 ((𝑁 ∈ ℕ0𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) < ((2 · ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)))) · (!‘𝑁)))

Proof of Theorem faclbnd5
StepHypRef Expression
1 nn0re 11715 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℝ)
2 reexpcl 13259 . . . . . . . . 9 ((𝑁 ∈ ℝ ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → (𝑁𝐾) ∈ ℝ)
31, 2sylan 572 . . . . . . . 8 ((𝑁 ∈ ℕ0𝐾 ∈ ℕ0) → (𝑁𝐾) ∈ ℝ)
43ancoms 451 . . . . . . 7 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑁𝐾) ∈ ℝ)
5 nnre 11445 . . . . . . . 8 (𝑀 ∈ ℕ → 𝑀 ∈ ℝ)
6 reexpcl 13259 . . . . . . . 8 ((𝑀 ∈ ℝ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑀𝑁) ∈ ℝ)
75, 6sylan 572 . . . . . . 7 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑀𝑁) ∈ ℝ)
8 remulcl 10418 . . . . . . 7 (((𝑁𝐾) ∈ ℝ ∧ (𝑀𝑁) ∈ ℝ) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) ∈ ℝ)
94, 7, 8syl2an 587 . . . . . 6 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑁 ∈ ℕ0) ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0)) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) ∈ ℝ)
109anandirs 667 . . . . 5 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) ∈ ℝ)
11 2nn 11511 . . . . . . . . 9 2 ∈ ℕ
12 nn0sqcl 13269 . . . . . . . . 9 (𝐾 ∈ ℕ0 → (𝐾↑2) ∈ ℕ0)
13 nnexpcl 13255 . . . . . . . . 9 ((2 ∈ ℕ ∧ (𝐾↑2) ∈ ℕ0) → (2↑(𝐾↑2)) ∈ ℕ)
1411, 12, 13sylancr 579 . . . . . . . 8 (𝐾 ∈ ℕ0 → (2↑(𝐾↑2)) ∈ ℕ)
15 nnnn0 11713 . . . . . . . . . . 11 (𝑀 ∈ ℕ → 𝑀 ∈ ℕ0)
16 nn0addcl 11742 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑀 ∈ ℕ0𝐾 ∈ ℕ0) → (𝑀 + 𝐾) ∈ ℕ0)
1716ancoms 451 . . . . . . . . . . 11 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ0) → (𝑀 + 𝐾) ∈ ℕ0)
1815, 17sylan2 584 . . . . . . . . . 10 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) → (𝑀 + 𝐾) ∈ ℕ0)
19 nnexpcl 13255 . . . . . . . . . 10 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ (𝑀 + 𝐾) ∈ ℕ0) → (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)) ∈ ℕ)
2018, 19sylan2 584 . . . . . . . . 9 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ (𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ)) → (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)) ∈ ℕ)
2120anabss7 661 . . . . . . . 8 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) → (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)) ∈ ℕ)
22 nnmulcl 11462 . . . . . . . 8 (((2↑(𝐾↑2)) ∈ ℕ ∧ (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)) ∈ ℕ) → ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) ∈ ℕ)
2314, 21, 22syl2an2r 673 . . . . . . 7 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) → ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) ∈ ℕ)
2423nnred 11454 . . . . . 6 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) → ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) ∈ ℝ)
25 faccl 13456 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ0 → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
2625nnred 11454 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ0 → (!‘𝑁) ∈ ℝ)
27 remulcl 10418 . . . . . 6 ((((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) ∈ ℝ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℝ) → (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ)
2824, 26, 27syl2an 587 . . . . 5 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ)
29 2re 11512 . . . . . 6 2 ∈ ℝ
30 remulcl 10418 . . . . . 6 ((2 ∈ ℝ ∧ (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ) → (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁))) ∈ ℝ)
3129, 28, 30sylancr 579 . . . . 5 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁))) ∈ ℝ)
32 faclbnd4 13470 . . . . . . . 8 ((𝑁 ∈ ℕ0𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ0) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) ≤ (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)))
3315, 32syl3an3 1146 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ0𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) ≤ (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)))
34333coml 1108 . . . . . 6 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) ≤ (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)))
35343expa 1099 . . . . 5 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) ≤ (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)))
36 1lt2 11616 . . . . . 6 1 < 2
37 nnmulcl 11462 . . . . . . . . 9 ((((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) ∈ ℕ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℕ) → (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) ∈ ℕ)
3823, 25, 37syl2an 587 . . . . . . . 8 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) ∈ ℕ)
3938nngt0d 11487 . . . . . . 7 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → 0 < (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)))
40 ltmulgt12 11300 . . . . . . . 8 (((((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ ∧ 2 ∈ ℝ ∧ 0 < (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁))) → (1 < 2 ↔ (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) < (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)))))
4129, 40mp3an2 1429 . . . . . . 7 (((((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) ∈ ℝ ∧ 0 < (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁))) → (1 < 2 ↔ (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) < (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)))))
4228, 39, 41syl2anc 576 . . . . . 6 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (1 < 2 ↔ (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) < (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)))))
4336, 42mpbii 225 . . . . 5 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁)) < (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁))))
4410, 28, 31, 35, 43lelttrd 10596 . . . 4 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) < (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁))))
45 2cn 11513 . . . . 5 2 ∈ ℂ
4623nncnd 11455 . . . . 5 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) → ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) ∈ ℂ)
4725nncnd 11455 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ0 → (!‘𝑁) ∈ ℂ)
48 mulass 10421 . . . . 5 ((2 ∈ ℂ ∧ ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) ∈ ℂ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℂ) → ((2 · ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)))) · (!‘𝑁)) = (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁))))
4945, 46, 47, 48mp3an3an 1447 . . . 4 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ((2 · ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)))) · (!‘𝑁)) = (2 · (((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾))) · (!‘𝑁))))
5044, 49breqtrrd 4953 . . 3 (((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) < ((2 · ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)))) · (!‘𝑁)))
51503impa 1091 . 2 ((𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) < ((2 · ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)))) · (!‘𝑁)))
52513comr 1106 1 ((𝑁 ∈ ℕ0𝐾 ∈ ℕ0𝑀 ∈ ℕ) → ((𝑁𝐾) · (𝑀𝑁)) < ((2 · ((2↑(𝐾↑2)) · (𝑀↑(𝑀 + 𝐾)))) · (!‘𝑁)))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 198  wa 387  w3a 1069   = wceq 1508  wcel 2051   class class class wbr 4925  cfv 6185  (class class class)co 6974  cc 10331  cr 10332  0cc0 10333  1c1 10334   + caddc 10336   · cmul 10338   < clt 10472  cle 10473  cn 11437  2c2 11493  0cn0 11705  cexp 13242  !cfa 13446
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1759  ax-4 1773  ax-5 1870  ax-6 1929  ax-7 1966  ax-8 2053  ax-9 2060  ax-10 2080  ax-11 2094  ax-12 2107  ax-13 2302  ax-ext 2743  ax-sep 5056  ax-nul 5063  ax-pow 5115  ax-pr 5182  ax-un 7277  ax-cnex 10389  ax-resscn 10390  ax-1cn 10391  ax-icn 10392  ax-addcl 10393  ax-addrcl 10394  ax-mulcl 10395  ax-mulrcl 10396  ax-mulcom 10397  ax-addass 10398  ax-mulass 10399  ax-distr 10400  ax-i2m1 10401  ax-1ne0 10402  ax-1rid 10403  ax-rnegex 10404  ax-rrecex 10405  ax-cnre 10406  ax-pre-lttri 10407  ax-pre-lttrn 10408  ax-pre-ltadd 10409  ax-pre-mulgt0 10410
This theorem depends on definitions:  df-bi 199  df-an 388  df-or 835  df-3or 1070  df-3an 1071  df-tru 1511  df-ex 1744  df-nf 1748  df-sb 2017  df-mo 2548  df-eu 2585  df-clab 2752  df-cleq 2764  df-clel 2839  df-nfc 2911  df-ne 2961  df-nel 3067  df-ral 3086  df-rex 3087  df-reu 3088  df-rmo 3089  df-rab 3090  df-v 3410  df-sbc 3675  df-csb 3780  df-dif 3825  df-un 3827  df-in 3829  df-ss 3836  df-pss 3838  df-nul 4173  df-if 4345  df-pw 4418  df-sn 4436  df-pr 4438  df-tp 4440  df-op 4442  df-uni 4709  df-iun 4790  df-br 4926  df-opab 4988  df-mpt 5005  df-tr 5027  df-id 5308  df-eprel 5313  df-po 5322  df-so 5323  df-fr 5362  df-we 5364  df-xp 5409  df-rel 5410  df-cnv 5411  df-co 5412  df-dm 5413  df-rn 5414  df-res 5415  df-ima 5416  df-pred 5983  df-ord 6029  df-on 6030  df-lim 6031  df-suc 6032  df-iota 6149  df-fun 6187  df-fn 6188  df-f 6189  df-f1 6190  df-fo 6191  df-f1o 6192  df-fv 6193  df-riota 6935  df-ov 6977  df-oprab 6978  df-mpo 6979  df-om 7395  df-2nd 7500  df-wrecs 7748  df-recs 7810  df-rdg 7848  df-er 8087  df-en 8305  df-dom 8306  df-sdom 8307  df-pnf 10474  df-mnf 10475  df-xr 10476  df-ltxr 10477  df-le 10478  df-sub 10670  df-neg 10671  df-div 11097  df-nn 11438  df-2 11501  df-n0 11706  df-z 11792  df-uz 12057  df-rp 12203  df-seq 13183  df-exp 13243  df-fac 13447
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator