Theorem stirlingr 46691

Description: Stirling's approximation formula for 𝑛 factorial: here convergence is expressed with respect to the standard topology on the reals. The main theorem stirling 46690 is proven for convergence in the topology of complex numbers. The variable 𝑅 is used to denote convergence with respect to the standard topology on the reals. (Contributed by Glauco Siliprandi, 29-Jun-2017.)

Hypotheses

Ref	Expression
stirlingr.1	⊢ 𝑆 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)))
stirlingr.2	⊢ 𝑅 = (⇝𝑡‘(topGen‘ran (,)))

Assertion

Ref	Expression
stirlingr	⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))𝑅1

Proof of Theorem stirlingr

Step	Hyp	Ref	Expression
1		stirlingr.1	. . 3 ⊢ 𝑆 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)))
2	1	stirling 46690	. 2 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) ⇝ 1
3		stirlingr.2	. . . 4 ⊢ 𝑅 = (⇝𝑡‘(topGen‘ran (,)))
4		nnuz 12897	. . . 4 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
5		1zzd 12621	. . . 4 ⊢ (⊤ → 1 ∈ ℤ)
6		eqid 2769	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))
7		nnnn0 12507	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℕ0)
8		faccl 14315	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ0 → (!‘𝑛) ∈ ℕ)
9		nnre 12236	. . . . . . . 8 ⊢ ((!‘𝑛) ∈ ℕ → (!‘𝑛) ∈ ℝ)
10	7, 8, 9	3syl 19	. . . . . . 7 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (!‘𝑛) ∈ ℝ)
11		2re 12311	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 2 ∈ ℝ
12	11	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ)
13		pire 26581	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ π ∈ ℝ
14	13	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → π ∈ ℝ)
15	12, 14	remulcld 11235	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (2 · π) ∈ ℝ)
16		nnre 12236	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℝ)
17	15, 16	remulcld 11235	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((2 · π) · 𝑛) ∈ ℝ)
18		0re 11206	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 ∈ ℝ
19	18	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ∈ ℝ)
20		2pos 12341	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 < 2
21	20	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 < 2)
22	19, 12, 21	ltled 11354	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ 2)
23		pipos 26585	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 < π
24	18, 13, 23	ltleii 11329	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 0 ≤ π
25	24	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ π)
26	12, 14, 22, 25	mulge0d 11787	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ (2 · π))
27	7	nn0ge0d 12564	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ 𝑛)
28	15, 16, 26, 27	mulge0d 11787	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ ((2 · π) · 𝑛))
29	17, 28	resqrtcld 15465	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (√‘((2 · π) · 𝑛)) ∈ ℝ)
30		ere 16139	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ e ∈ ℝ
31	30	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ∈ ℝ)
32		epos 16259	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 0 < e
33	18, 32	gtneii 11318	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ e ≠ 0
34	33	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ≠ 0)
35	16, 31, 34	redivcld 12039	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 / e) ∈ ℝ)
36	35, 7	reexpcld 14195	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((𝑛 / e)↑𝑛) ∈ ℝ)
37	29, 36	remulcld 11235	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ)
38	1	fvmpt2 6999	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑛 ∈ ℕ0 ∧ ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ) → (𝑆‘𝑛) = ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)))
39	7, 37, 38	syl2anc 595	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑛) = ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)))
40		2rp 13017	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 2 ∈ ℝ+
41	40	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ+)
42		pirp 26588	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ π ∈ ℝ+
43	42	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → π ∈ ℝ+)
44	41, 43	rpmulcld 13072	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (2 · π) ∈ ℝ+)
45		nnrp 13024	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℝ+)
46	44, 45	rpmulcld 13072	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((2 · π) · 𝑛) ∈ ℝ+)
47	46	rpsqrtcld 15459	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (√‘((2 · π) · 𝑛)) ∈ ℝ+)
48		epr 16260	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ e ∈ ℝ+
49	48	a1i 11	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ∈ ℝ+)
50	45, 49	rpdivcld 13073	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 / e) ∈ ℝ+)
51		nnz 12608	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℤ)
52	50, 51	rpexpcld 14279	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((𝑛 / e)↑𝑛) ∈ ℝ+)
53	47, 52	rpmulcld 13072	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ+)
54	39, 53	eqeltrd 2869	. . . . . . 7 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑛) ∈ ℝ+)
55	10, 54	rerpdivcld 13087	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)) ∈ ℝ)
56	6, 55	fmpti 7105	. . . . 5 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))):ℕ⟶ℝ
57	56	a1i 11	. . . 4 ⊢ (⊤ → (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))):ℕ⟶ℝ)
58	3, 4, 5, 57	climreeq 46216	. . 3 ⊢ (⊤ → ((𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))𝑅1 ↔ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) ⇝ 1))
59	58	mptru 1574	. 2 ⊢ ((𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))𝑅1 ↔ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) ⇝ 1)
60	2, 59	mpbir 234	1 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))𝑅1

Syntax hints:   ↔ wb 209   = wceq 1567  ⊤wtru 1568   ∈ wcel 2149   ≠ wne 2964   class class class wbr 5110   ↦ cmpt 5193  ran crn 5660  ⟶wf 6530  ‘cfv 6534  (class class class)co 7408  ℝcr 11095  0cc0 11096  1c1 11097   · cmul 11101   < clt 11239   ≤ cle 11240   / cdiv 11867  ℕcn 12229  2c2 12291  ℕ₀cn0 12500  ℝ⁺crp 13012  (,)cioo 13368  ↑cexp 14093  !cfa 14305  √csqrt 15280   ⇝ cli 15531  eceu 16112  πcpi 16116  topGenctg 17486  ⇝_𝑡clm 23348

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1822  ax-4 1836  ax-5 1937  ax-6 1994  ax-7 2035  ax-8 2151  ax-9 2159  ax-10 2182  ax-11 2198  ax-12 2219  ax-ext 2741  ax-rep 5239  ax-sep 5258  ax-nul 5268  ax-pow 5334  ax-pr 5402  ax-un 7730  ax-inf2 9606  ax-cc 10415  ax-cnex 11152  ax-resscn 11153  ax-1cn 11154  ax-icn 11155  ax-addcl 11156  ax-addrcl 11157  ax-mulcl 11158  ax-mulrcl 11159  ax-mulcom 11160  ax-addass 11161  ax-mulass 11162  ax-distr 11163  ax-i2m1 11164  ax-1ne0 11165  ax-1rid 11166  ax-rnegex 11167  ax-rrecex 11168  ax-cnre 11169  ax-pre-lttri 11170  ax-pre-lttrn 11171  ax-pre-ltadd 11172  ax-pre-mulgt0 11173  ax-pre-sup 11174  ax-addf 11175

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1570  df-fal 1580  df-ex 1807  df-nf 1811  df-sb 2098  df-mo 2573  df-eu 2603  df-clab 2748  df-cleq 2761  df-clel 2844  df-nfc 2918  df-ne 2965  df-nel 3071  df-ral 3086  df-rex 3096  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3424  df-v 3465  df-sbc 3754  df-csb 3862  df-dif 3916  df-un 3918  df-in 3920  df-ss 3930  df-pss 3933  df-symdif 4214  df-nul 4295  df-if 4490  df-pw 4566  df-sn 4592  df-pr 4594  df-tp 4596  df-op 4598  df-uni 4874  df-int 4914  df-iun 4959  df-iin 4960  df-disj 5078  df-br 5111  df-opab 5175  df-mpt 5194  df-tr 5220  df-id 5554  df-eprel 5559  df-po 5567  df-so 5568  df-fr 5612  df-se 5613  df-we 5614  df-xp 5665  df-rel 5666  df-cnv 5667  df-co 5668  df-dm 5669  df-rn 5670  df-res 5671  df-ima 5672  df-pred 6300  df-ord 6361  df-on 6362  df-lim 6363  df-suc 6364  df-iota 6490  df-fun 6536  df-fn 6537  df-f 6538  df-f1 6539  df-fo 6540  df-f1o 6541  df-fv 6542  df-isom 6543  df-riota 7365  df-ov 7411  df-oprab 7412  df-mpo 7413  df-of 7672  df-ofr 7673  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-supp 8153  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-2o 8450  df-oadd 8453  df-omul 8454  df-er 8690  df-map 8822  df-pm 8823  df-ixp 8892  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-fsupp 9318  df-fi 9367  df-sup 9398  df-inf 9399  df-oi 9468  df-dju 9883  df-card 9921  df-acn 9924  df-pnf 11241  df-mnf 11242  df-xr 11243  df-ltxr 11244  df-le 11245  df-sub 11439  df-neg 11440  df-div 11868  df-nn 12230  df-2 12299  df-3 12300  df-4 12301  df-5 12302  df-6 12303  df-7 12304  df-8 12305  df-9 12306  df-n0 12501  df-xnn0 12574  df-z 12588  df-dec 12708  df-uz 12859  df-q 12969  df-rp 13013  df-xneg 13133  df-xadd 13134  df-xmul 13135  df-ioo 13372  df-ioc 13373  df-ico 13374  df-icc 13375  df-fz 13532  df-fzo 13679  df-fl 13821  df-mod 13899  df-seq 14034  df-exp 14094  df-fac 14306  df-bc 14335  df-hash 14363  df-shft 15100  df-cj 15146  df-re 15147  df-im 15148  df-sqrt 15282  df-abs 15283  df-limsup 15518  df-clim 15535  df-rlim 15536  df-sum 15734  df-ef 16117  df-e 16118  df-sin 16119  df-cos 16120  df-tan 16121  df-pi 16122  df-dvds 16307  df-struct 17203  df-sets 17220  df-slot 17238  df-ndx 17250  df-base 17266  df-ress 17287  df-plusg 17319  df-mulr 17320  df-starv 17321  df-sca 17322  df-vsca 17323  df-ip 17324  df-tset 17325  df-ple 17326  df-ds 17328  df-unif 17329  df-hom 17330  df-cco 17331  df-rest 17471  df-topn 17472  df-0g 17490  df-gsum 17491  df-topgen 17492  df-pt 17493  df-prds 17496  df-xrs 17552  df-qtop 17557  df-imas 17558  df-xps 17560  df-mre 17634  df-mrc 17635  df-acs 17637  df-mgm 18694  df-sgrp 18773  df-mnd 18789  df-submnd 18838  df-mulg 19130  df-cntz 19383  df-cmn 19848  df-psmet 21479  df-xmet 21480  df-met 21481  df-bl 21482  df-mopn 21483  df-fbas 21484  df-fg 21485  df-cnfld 21488  df-top 23016  df-topon 23033  df-topsp 23055  df-bases 23068  df-cld 23141  df-ntr 23142  df-cls 23143  df-nei 23220  df-lp 23258  df-perf 23259  df-cn 23349  df-cnp 23350  df-lm 23351  df-haus 23437  df-cmp 23509  df-tx 23684  df-hmeo 23877  df-fil 23968  df-fm 24060  df-flim 24061  df-flf 24062  df-xms 24442  df-ms 24443  df-tms 24444  df-cncf 25002  df-ovol 25588  df-vol 25589  df-mbf 25743  df-itg1 25744  df-itg2 25745  df-ibl 25746  df-itg 25747  df-0p 25794  df-limc 25990  df-dv 25991  df-ulm 26502  df-log 26683  df-cxp 26684

This theorem is referenced by: (None)