Theorem stirlingr 47069

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 47068 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 47068	. 2 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) ⇝ 1
3		stirlingr.2	. . . 4 ⊢ 𝑅 = (⇝𝑡‘(topGen‘ran (,)))
4		nnuz 12997	. . . 4 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
5		1zzd 12720	. . . 4 ⊢ (⊤ → 1 ∈ ℤ)
6		eqid 2761	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))
7		nnnn0 12606	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℕ0)
8		faccl 14420	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ0 → (!‘𝑛) ∈ ℕ)
9		nnre 12335	. . . . . . . 8 ⊢ ((!‘𝑛) ∈ ℕ → (!‘𝑛) ∈ ℝ)
10	7, 8, 9	3syl 19	. . . . . . 7 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (!‘𝑛) ∈ ℝ)
11		2re 12410	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 2 ∈ ℝ
12	11	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ)
13		pire 26776	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ π ∈ ℝ
14	13	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → π ∈ ℝ)
15	12, 14	remulcld 11332	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (2 · π) ∈ ℝ)
16		nnre 12335	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℝ)
17	15, 16	remulcld 11332	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((2 · π) · 𝑛) ∈ ℝ)
18		0re 11303	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 ∈ ℝ
19	18	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ∈ ℝ)
20		2pos 12440	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 < 2
21	20	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 < 2)
22	19, 12, 21	ltled 11451	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ 2)
23		pipos 26780	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 < π
24	18, 13, 23	ltleii 11426	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 0 ≤ π
25	24	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ π)
26	12, 14, 22, 25	mulge0d 11886	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ (2 · π))
27	7	nn0ge0d 12663	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ 𝑛)
28	15, 16, 26, 27	mulge0d 11886	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ ((2 · π) · 𝑛))
29	17, 28	resqrtcld 15578	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (√‘((2 · π) · 𝑛)) ∈ ℝ)
30		ere 16248	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ e ∈ ℝ
31	30	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ∈ ℝ)
32		epos 16368	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 0 < e
33	18, 32	gtneii 11415	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ e ≠ 0
34	33	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ≠ 0)
35	16, 31, 34	redivcld 12138	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 / e) ∈ ℝ)
36	35, 7	reexpcld 14299	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((𝑛 / e)↑𝑛) ∈ ℝ)
37	29, 36	remulcld 11332	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ)
38	1	fvmpt2 7003	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑛 ∈ ℕ0 ∧ ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ) → (𝑆‘𝑛) = ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)))
39	7, 37, 38	syl2anc 596	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑛) = ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)))
40		2rp 13118	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 2 ∈ ℝ+
41	40	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ+)
42		pirp 26783	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ π ∈ ℝ+
43	42	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → π ∈ ℝ+)
44	41, 43	rpmulcld 13173	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (2 · π) ∈ ℝ+)
45		nnrp 13125	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℝ+)
46	44, 45	rpmulcld 13173	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((2 · π) · 𝑛) ∈ ℝ+)
47	46	rpsqrtcld 15572	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (√‘((2 · π) · 𝑛)) ∈ ℝ+)
48		epr 16369	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ e ∈ ℝ+
49	48	a1i 11	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ∈ ℝ+)
50	45, 49	rpdivcld 13174	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 / e) ∈ ℝ+)
51		nnz 12707	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℤ)
52	50, 51	rpexpcld 14384	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((𝑛 / e)↑𝑛) ∈ ℝ+)
53	47, 52	rpmulcld 13173	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ+)
54	39, 53	eqeltrd 2861	. . . . . . 7 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑛) ∈ ℝ+)
55	10, 54	rerpdivcld 13188	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)) ∈ ℝ)
56	6, 55	fmpti 7110	. . . . 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 46594	. . 3 ⊢ (⊤ → ((𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))𝑅1 ↔ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) ⇝ 1))
59	58	mptru 1577	. 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

This proof depends on syntax axioms:   ↔ wb 209   = wceq 1570  ⊤wtru 1571   ∈ wcel 2145   ≠ wne 2956   class class class wbr 5103   ↦ cmpt 5186  ran crn 5652  ⟶wf 6533  ‘cfv 6537  (class class class)co 7418  ℝcr 11192  0cc0 11193  1c1 11194   · cmul 11198   < clt 11336   ≤ cle 11337   / cdiv 11966  ℕcn 12328  2c2 12390  ℕ₀cn0 12599  ℝ⁺crp 13113  (,)cioo 13469  ↑cexp 14197  !cfa 14410  √csqrt 15393   ⇝ cli 15644  eceu 16221  πcpi 16225  topGenctg 17601  ⇝_𝑡clm 23537

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2213  ax-ext 2733  ax-rep 5232  ax-sep 5249  ax-nul 5260  ax-pow 5327  ax-pr 5391  ax-un 7749  ax-inf2 9635  ax-cc 10506  ax-cnex 11249  ax-resscn 11250  ax-1cn 11251  ax-icn 11252  ax-addcl 11253  ax-addrcl 11254  ax-mulcl 11255  ax-mulrcl 11256  ax-mulcom 11257  ax-addass 11258  ax-mulass 11259  ax-distr 11260  ax-i2m1 11261  ax-1ne0 11262  ax-1rid 11263  ax-rnegex 11264  ax-rrecex 11265  ax-cnre 11266  ax-pre-lttri 11267  ax-pre-lttrn 11268  ax-pre-ltadd 11269  ax-pre-mulgt0 11270  ax-pre-sup 11271  ax-addf 11272

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2100  df-mo 2565  df-eu 2595  df-clab 2740  df-cleq 2753  df-clel 2836  df-nfc 2910  df-ne 2957  df-nel 3063  df-ral 3078  df-rex 3088  df-rmo 3366  df-reu 3367  df-rab 3414  df-v 3453  df-sbc 3740  df-csb 3848  df-dif 3902  df-un 3904  df-in 3906  df-ss 3916  df-pss 3919  df-symdif 4199  df-nul 4280  df-if 4483  df-pw 4559  df-sn 4585  df-pr 4587  df-tp 4589  df-op 4591  df-uni 4868  df-int 4908  df-iun 4953  df-iin 4954  df-disj 5071  df-br 5104  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-tr 5213  df-id 5546  df-eprel 5551  df-po 5559  df-so 5560  df-fr 5604  df-se 5605  df-we 5606  df-xp 5657  df-rel 5658  df-cnv 5659  df-co 5660  df-dm 5661  df-rn 5662  df-res 5663  df-ima 5664  df-pred 6303  df-ord 6364  df-on 6365  df-lim 6366  df-suc 6367  df-iota 6493  df-fun 6539  df-fn 6540  df-f 6541  df-f1 6542  df-fo 6543  df-f1o 6544  df-fv 6545  df-isom 6546  df-riota 7375  df-ov 7421  df-oprab 7422  df-mpo 7423  df-of 7691  df-ofr 7692  df-om 7876  df-1st 7999  df-2nd 8000  df-supp 8171  df-frecs 8292  df-wrecs 8323  df-recs 8372  df-rdg 8411  df-1o 8469  df-2o 8470  df-oadd 8473  df-omul 8474  df-er 8710  df-map 8842  df-pm 8843  df-ixp 8919  df-en 8967  df-dom 8968  df-sdom 8969  df-fin 8970  df-fsupp 9347  df-fi 9396  df-sup 9427  df-inf 9428  df-oi 9497  df-dju 9975  df-card 10013  df-acn 10016  df-pnf 11338  df-mnf 11339  df-xr 11340  df-ltxr 11341  df-le 11342  df-sub 11536  df-neg 11537  df-div 11967  df-nn 12329  df-2 12398  df-3 12399  df-4 12400  df-5 12401  df-6 12402  df-7 12403  df-8 12404  df-9 12405  df-n0 12600  df-xnn0 12673  df-z 12687  df-dec 12808  df-uz 12959  df-q 13069  df-rp 13114  df-xneg 13234  df-xadd 13235  df-xmul 13236  df-ioo 13473  df-ioc 13474  df-ico 13475  df-icc 13476  df-fz 13633  df-fzo 13782  df-fl 13925  df-mod 14003  df-seq 14138  df-exp 14198  df-fac 14411  df-bc 14440  df-hash 14468  df-shft 15213  df-cj 15259  df-re 15260  df-im 15261  df-sqrt 15395  df-abs 15396  df-limsup 15631  df-clim 15648  df-rlim 15649  df-sum 15847  df-ef 16226  df-e 16227  df-sin 16228  df-cos 16229  df-tan 16230  df-pi 16231  df-dvds 16416  df-struct 17318  df-sets 17335  df-slot 17353  df-ndx 17365  df-base 17381  df-ress 17402  df-plusg 17434  df-mulr 17435  df-starv 17436  df-sca 17437  df-vsca 17438  df-ip 17439  df-tset 17440  df-ple 17441  df-ds 17443  df-unif 17444  df-hom 17445  df-cco 17446  df-rest 17586  df-topn 17587  df-0g 17605  df-gsum 17606  df-topgen 17607  df-pt 17608  df-prds 17611  df-xrs 17667  df-qtop 17672  df-imas 17673  df-xps 17675  df-mre 17749  df-mrc 17750  df-acs 17752  df-mgm 18809  df-sgrp 18901  df-mnd 18917  df-submnd 18972  df-mulg 19271  df-cntz 19524  df-cmn 19989  df-psmet 21663  df-xmet 21664  df-met 21665  df-bl 21666  df-mopn 21667  df-fbas 21668  df-fg 21669  df-cnfld 21672  df-top 23205  df-topon 23222  df-topsp 23244  df-bases 23257  df-cld 23330  df-ntr 23331  df-cls 23332  df-nei 23409  df-lp 23447  df-perf 23448  df-cn 23538  df-cnp 23539  df-lm 23540  df-haus 23626  df-cmp 23698  df-tx 23874  df-hmeo 24067  df-fil 24158  df-fm 24250  df-flim 24251  df-flf 24252  df-xms 24632  df-ms 24633  df-tms 24634  df-cncf 25192  df-ovol 25778  df-vol 25779  df-mbf 25933  df-itg1 25934  df-itg2 25935  df-ibl 25936  df-itg 25937  df-0p 25984  df-limc 26179  df-dv 26180  df-ulm 26697  df-log 26877  df-cxp 26878

This theorem is used by: (None)