lcmineqlem11 - Mathbox for metakunt

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Theorem lcmineqlem11 42071

Description: Induction step, continuation for binomial coefficients. (Contributed by metakunt, 12-May-2024.)

**Hypotheses**
Ref	Expression
lcmineqlem11.1	⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ)
lcmineqlem11.2	⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
lcmineqlem11.3	⊢ (𝜑 → 𝑀 < 𝑁)

**Assertion**
Ref	Expression
lcmineqlem11	⊢ (𝜑 → (1 / ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1)))) = ((𝑀 / (𝑁 − 𝑀)) · (1 / (𝑀 · (𝑁C𝑀)))))

**Proof of Theorem lcmineqlem11**
Step	Hyp	Ref	Expression
1		lcmineqlem11.1	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ)
2	1	nncnd 12138	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℂ)
3		1cnd 11104	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℂ)
4	2, 3	addcld 11128	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝑀 + 1) ∈ ℂ)
5		lcmineqlem11.2	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
6	1	nnnn0d 12439	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ₀)
7		1nn0 12394	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 1 ∈ ℕ₀
8	7	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℕ₀)
9	6, 8	nn0addcld 12443	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝜑 → (𝑀 + 1) ∈ ℕ₀)
10		lcmineqlem11.3	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → 𝑀 < 𝑁)
11	1	nnzd 12492	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℤ)
12	5	nnzd 12492	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℤ)
13		zltp1le 12519	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) → (𝑀 < 𝑁 ↔ (𝑀 + 1) ≤ 𝑁))
14	11, 12, 13	syl2anc 584	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → (𝑀 < 𝑁 ↔ (𝑀 + 1) ≤ 𝑁))
15	10, 14	mpbid 232	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝜑 → (𝑀 + 1) ≤ 𝑁)
16	5, 9, 15	bccl2d 42023	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → (𝑁C(𝑀 + 1)) ∈ ℕ)
17	16	nncnd 12138	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝑁C(𝑀 + 1)) ∈ ℂ)
18	4, 17	mulcld 11129	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) ∈ ℂ)
19	18	div1d 11886	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) / 1) = ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))))
20	11	peano2zd 12577	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝜑 → (𝑀 + 1) ∈ ℤ)
21	1	peano2nnd 12139	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝜑 → (𝑀 + 1) ∈ ℕ)
22	21	nnge1d 12170	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝜑 → 1 ≤ (𝑀 + 1))
23	20, 22, 15	3jca 1128	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 + 1) ∈ ℤ ∧ 1 ≤ (𝑀 + 1) ∧ (𝑀 + 1) ≤ 𝑁))
24		1z 12499	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ 1 ∈ ℤ
25		elfz1 13409	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((1 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) → ((𝑀 + 1) ∈ (1...𝑁) ↔ ((𝑀 + 1) ∈ ℤ ∧ 1 ≤ (𝑀 + 1) ∧ (𝑀 + 1) ≤ 𝑁)))
26	24, 25	mpan 690	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑁 ∈ ℤ → ((𝑀 + 1) ∈ (1...𝑁) ↔ ((𝑀 + 1) ∈ ℤ ∧ 1 ≤ (𝑀 + 1) ∧ (𝑀 + 1) ≤ 𝑁)))
27	12, 26	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 + 1) ∈ (1...𝑁) ↔ ((𝑀 + 1) ∈ ℤ ∧ 1 ≤ (𝑀 + 1) ∧ (𝑀 + 1) ≤ 𝑁)))
28	23, 27	mpbird 257	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝜑 → (𝑀 + 1) ∈ (1...𝑁))
29		bcm1k 14219	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑀 + 1) ∈ (1...𝑁) → (𝑁C(𝑀 + 1)) = ((𝑁C((𝑀 + 1) − 1)) · ((𝑁 − ((𝑀 + 1) − 1)) / (𝑀 + 1))))
30	28, 29	syl 17	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → (𝑁C(𝑀 + 1)) = ((𝑁C((𝑀 + 1) − 1)) · ((𝑁 − ((𝑀 + 1) − 1)) / (𝑀 + 1))))
31	2, 3	pncand 11470	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 + 1) − 1) = 𝑀)
32	31	oveq2d 7362	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝜑 → (𝑁C((𝑀 + 1) − 1)) = (𝑁C𝑀))
33	31	oveq2d 7362	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → (𝑁 − ((𝑀 + 1) − 1)) = (𝑁 − 𝑀))
34	33	oveq1d 7361	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝜑 → ((𝑁 − ((𝑀 + 1) − 1)) / (𝑀 + 1)) = ((𝑁 − 𝑀) / (𝑀 + 1)))
35	32, 34	oveq12d 7364	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → ((𝑁C((𝑀 + 1) − 1)) · ((𝑁 − ((𝑀 + 1) − 1)) / (𝑀 + 1))) = ((𝑁C𝑀) · ((𝑁 − 𝑀) / (𝑀 + 1))))
36	30, 35	eqtrd 2766	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → (𝑁C(𝑀 + 1)) = ((𝑁C𝑀) · ((𝑁 − 𝑀) / (𝑀 + 1))))
37	1	nnred 12137	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℝ)
38	5	nnred 12137	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℝ)
39	37, 38, 10	ltled 11258	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ≤ 𝑁)
40	5, 6, 39	bccl2d 42023	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝜑 → (𝑁C𝑀) ∈ ℕ)
41	40	nncnd 12138	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → (𝑁C𝑀) ∈ ℂ)
42	5	nncnd 12138	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℂ)
43	42, 2	subcld 11469	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → (𝑁 − 𝑀) ∈ ℂ)
44	21	nnne0d 12172	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → (𝑀 + 1) ≠ 0)
45	41, 43, 4, 44	divassd 11929	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → (((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)) / (𝑀 + 1)) = ((𝑁C𝑀) · ((𝑁 − 𝑀) / (𝑀 + 1))))
46	36, 45	eqtr4d 2769	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝜑 → (𝑁C(𝑀 + 1)) = (((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)) / (𝑀 + 1)))
47	46	eqcomd 2737	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → (((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)) / (𝑀 + 1)) = (𝑁C(𝑀 + 1)))
48	41, 43	mulcld 11129	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝜑 → ((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)) ∈ ℂ)
49	48, 17, 4, 44	divmul2d 11927	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → ((((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)) / (𝑀 + 1)) = (𝑁C(𝑀 + 1)) ↔ ((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)) = ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1)))))
50	47, 49	mpbid 232	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → ((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)) = ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))))
51	50	eqcomd 2737	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) = ((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)))
52	41, 43	mulcomd 11130	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝑁C𝑀) · (𝑁 − 𝑀)) = ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀)))
53	51, 52	eqtrd 2766	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) = ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀)))
54	19, 53	eqtrd 2766	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) / 1) = ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀)))
55	43, 41	mulcld 11129	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀)) ∈ ℂ)
56	1	nnne0d 12172	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ≠ 0)
57	55, 2, 56	divcan3d 11899	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀))) / 𝑀) = ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀)))
58	54, 57	eqtr4d 2769	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) / 1) = ((𝑀 · ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀))) / 𝑀))
59	2, 43, 41	mul12d 11319	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀))) = ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀))))
60	59	oveq1d 7361	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · ((𝑁 − 𝑀) · (𝑁C𝑀))) / 𝑀) = (((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀))) / 𝑀))
61	58, 60	eqtrd 2766	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) / 1) = (((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀))) / 𝑀))
62		0ne1 12193	. . . . . . 7 ⊢ 0 ≠ 1
63	62	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 0 ≠ 1)
64	63	necomd 2983	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 1 ≠ 0)
65	16	nnne0d 12172	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑁C(𝑀 + 1)) ≠ 0)
66	4, 17, 44, 65	mulne0d 11766	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) ≠ 0)
67	2, 41	mulcld 11129	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · (𝑁C𝑀)) ∈ ℂ)
68	43, 67	mulcld 11129	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀))) ∈ ℂ)
69	37, 10	gtned 11245	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ≠ 𝑀)
70	42, 2, 69	subne0d 11478	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑁 − 𝑀) ≠ 0)
71	40	nnne0d 12172	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝑁C𝑀) ≠ 0)
72	2, 41, 56, 71	mulne0d 11766	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · (𝑁C𝑀)) ≠ 0)
73	43, 67, 70, 72	mulne0d 11766	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀))) ≠ 0)
74	3, 64, 18, 66, 2, 56, 68, 73	recbothd 42024	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((1 / ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1)))) = (𝑀 / ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀)))) ↔ (((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1))) / 1) = (((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀))) / 𝑀)))
75	61, 74	mpbird 257	. . 3 ⊢ (𝜑 → (1 / ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1)))) = (𝑀 / ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀)))))
76	2	mulridd 11126	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · 1) = 𝑀)
77	76	oveq1d 7361	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 1) / ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀)))) = (𝑀 / ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀)))))
78	75, 77	eqtr4d 2769	. 2 ⊢ (𝜑 → (1 / ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1)))) = ((𝑀 · 1) / ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀)))))
79	2, 43, 3, 67, 70, 72	divmuldivd 11935	. 2 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 / (𝑁 − 𝑀)) · (1 / (𝑀 · (𝑁C𝑀)))) = ((𝑀 · 1) / ((𝑁 − 𝑀) · (𝑀 · (𝑁C𝑀)))))
80	78, 79	eqtr4d 2769	1 ⊢ (𝜑 → (1 / ((𝑀 + 1) · (𝑁C(𝑀 + 1)))) = ((𝑀 / (𝑁 − 𝑀)) · (1 / (𝑀 · (𝑁C𝑀)))))

Colors of variables: wff setvar class

Syntax hints: → wi 4 ↔ wb 206 ∧ w3a 1086 = wceq 1541 ∈ wcel 2111 ≠ wne 2928 class class class wbr 5091 (class class class)co 7346 0cc0 11003 1c1 11004 + caddc 11006 · cmul 11008 < clt 11143 ≤ cle 11144 − cmin 11341 / cdiv 11771 ℕcn 12122 ℕ₀cn0 12378 ℤcz 12465 ...cfz 13404 Ccbc 14206

This theorem was proved from axioms: ax-mp 5 ax-1 6 ax-2 7 ax-3 8 ax-gen 1796 ax-4 1810 ax-5 1911 ax-6 1968 ax-7 2009 ax-8 2113 ax-9 2121 ax-10 2144 ax-11 2160 ax-12 2180 ax-ext 2703 ax-sep 5234 ax-nul 5244 ax-pow 5303 ax-pr 5370 ax-un 7668 ax-cnex 11059 ax-resscn 11060 ax-1cn 11061 ax-icn 11062 ax-addcl 11063 ax-addrcl 11064 ax-mulcl 11065 ax-mulrcl 11066 ax-mulcom 11067 ax-addass 11068 ax-mulass 11069 ax-distr 11070 ax-i2m1 11071 ax-1ne0 11072 ax-1rid 11073 ax-rnegex 11074 ax-rrecex 11075 ax-cnre 11076 ax-pre-lttri 11077 ax-pre-lttrn 11078 ax-pre-ltadd 11079 ax-pre-mulgt0 11080

This theorem depends on definitions: df-bi 207 df-an 396 df-or 848 df-3or 1087 df-3an 1088 df-tru 1544 df-fal 1554 df-ex 1781 df-nf 1785 df-sb 2068 df-mo 2535 df-eu 2564 df-clab 2710 df-cleq 2723 df-clel 2806 df-nfc 2881 df-ne 2929 df-nel 3033 df-ral 3048 df-rex 3057 df-rmo 3346 df-reu 3347 df-rab 3396 df-v 3438 df-sbc 3742 df-csb 3851 df-dif 3905 df-un 3907 df-in 3909 df-ss 3919 df-pss 3922 df-nul 4284 df-if 4476 df-pw 4552 df-sn 4577 df-pr 4579 df-op 4583 df-uni 4860 df-iun 4943 df-br 5092 df-opab 5154 df-mpt 5173 df-tr 5199 df-id 5511 df-eprel 5516 df-po 5524 df-so 5525 df-fr 5569 df-we 5571 df-xp 5622 df-rel 5623 df-cnv 5624 df-co 5625 df-dm 5626 df-rn 5627 df-res 5628 df-ima 5629 df-pred 6248 df-ord 6309 df-on 6310 df-lim 6311 df-suc 6312 df-iota 6437 df-fun 6483 df-fn 6484 df-f 6485 df-f1 6486 df-fo 6487 df-f1o 6488 df-fv 6489 df-riota 7303 df-ov 7349 df-oprab 7350 df-mpo 7351 df-om 7797 df-1st 7921 df-2nd 7922 df-frecs 8211 df-wrecs 8242 df-recs 8291 df-rdg 8329 df-er 8622 df-en 8870 df-dom 8871 df-sdom 8872 df-pnf 11145 df-mnf 11146 df-xr 11147 df-ltxr 11148 df-le 11149 df-sub 11343 df-neg 11344 df-div 11772 df-nn 12123 df-n0 12379 df-z 12466 df-uz 12730 df-rp 12888 df-fz 13405 df-seq 13906 df-fac 14178 df-bc 14207

This theorem is referenced by: lcmineqlem13 42073

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