Theorem stirlingr 44806

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 44805 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 44805	. 2 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) ⇝ 1
3		stirlingr.2	. . . 4 ⊢ 𝑅 = (⇝𝑡‘(topGen‘ran (,)))
4		nnuz 12865	. . . 4 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
5		1zzd 12593	. . . 4 ⊢ (⊤ → 1 ∈ ℤ)
6		eqid 2733	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))
7		nnnn0 12479	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℕ0)
8		faccl 14243	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ0 → (!‘𝑛) ∈ ℕ)
9		nnre 12219	. . . . . . . 8 ⊢ ((!‘𝑛) ∈ ℕ → (!‘𝑛) ∈ ℝ)
10	7, 8, 9	3syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (!‘𝑛) ∈ ℝ)
11		2re 12286	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 2 ∈ ℝ
12	11	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ)
13		pire 25968	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ π ∈ ℝ
14	13	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → π ∈ ℝ)
15	12, 14	remulcld 11244	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (2 · π) ∈ ℝ)
16		nnre 12219	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℝ)
17	15, 16	remulcld 11244	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((2 · π) · 𝑛) ∈ ℝ)
18		0re 11216	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 ∈ ℝ
19	18	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ∈ ℝ)
20		2pos 12315	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 < 2
21	20	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 < 2)
22	19, 12, 21	ltled 11362	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ 2)
23		pipos 25970	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ 0 < π
24	18, 13, 23	ltleii 11337	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 0 ≤ π
25	24	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ π)
26	12, 14, 22, 25	mulge0d 11791	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ (2 · π))
27	7	nn0ge0d 12535	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ 𝑛)
28	15, 16, 26, 27	mulge0d 11791	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 0 ≤ ((2 · π) · 𝑛))
29	17, 28	resqrtcld 15364	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (√‘((2 · π) · 𝑛)) ∈ ℝ)
30		ere 16032	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ e ∈ ℝ
31	30	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ∈ ℝ)
32		epos 16150	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 0 < e
33	18, 32	gtneii 11326	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ e ≠ 0
34	33	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ≠ 0)
35	16, 31, 34	redivcld 12042	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 / e) ∈ ℝ)
36	35, 7	reexpcld 14128	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((𝑛 / e)↑𝑛) ∈ ℝ)
37	29, 36	remulcld 11244	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ)
38	1	fvmpt2 7010	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑛 ∈ ℕ0 ∧ ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ) → (𝑆‘𝑛) = ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)))
39	7, 37, 38	syl2anc 585	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑛) = ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)))
40		2rp 12979	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 2 ∈ ℝ+
41	40	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ+)
42		pirp 25971	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ π ∈ ℝ+
43	42	a1i 11	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → π ∈ ℝ+)
44	41, 43	rpmulcld 13032	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (2 · π) ∈ ℝ+)
45		nnrp 12985	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℝ+)
46	44, 45	rpmulcld 13032	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((2 · π) · 𝑛) ∈ ℝ+)
47	46	rpsqrtcld 15358	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (√‘((2 · π) · 𝑛)) ∈ ℝ+)
48		epr 16151	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ e ∈ ℝ+
49	48	a1i 11	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → e ∈ ℝ+)
50	45, 49	rpdivcld 13033	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 / e) ∈ ℝ+)
51		nnz 12579	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℤ)
52	50, 51	rpexpcld 14210	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((𝑛 / e)↑𝑛) ∈ ℝ+)
53	47, 52	rpmulcld 13032	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((√‘((2 · π) · 𝑛)) · ((𝑛 / e)↑𝑛)) ∈ ℝ+)
54	39, 53	eqeltrd 2834	. . . . . . 7 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑛) ∈ ℝ+)
55	10, 54	rerpdivcld 13047	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)) ∈ ℝ)
56	6, 55	fmpti 7112	. . . . 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 44329	. . 3 ⊢ (⊤ → ((𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))𝑅1 ↔ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) ⇝ 1))
59	58	mptru 1549	. 2 ⊢ ((𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))𝑅1 ↔ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛))) ⇝ 1)
60	2, 59	mpbir 230	1 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((!‘𝑛) / (𝑆‘𝑛)))𝑅1

Syntax hints:   ↔ wb 205   = wceq 1542  ⊤wtru 1543   ∈ wcel 2107   ≠ wne 2941   class class class wbr 5149   ↦ cmpt 5232  ran crn 5678  ⟶wf 6540  ‘cfv 6544  (class class class)co 7409  ℝcr 11109  0cc0 11110  1c1 11111   · cmul 11115   < clt 11248   ≤ cle 11249   / cdiv 11871  ℕcn 12212  2c2 12267  ℕ₀cn0 12472  ℝ⁺crp 12974  (,)cioo 13324  ↑cexp 14027  !cfa 14233  √csqrt 15180   ⇝ cli 15428  eceu 16006  πcpi 16010  topGenctg 17383  ⇝_𝑡clm 22730

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1798  ax-4 1812  ax-5 1914  ax-6 1972  ax-7 2012  ax-8 2109  ax-9 2117  ax-10 2138  ax-11 2155  ax-12 2172  ax-ext 2704  ax-rep 5286  ax-sep 5300  ax-nul 5307  ax-pow 5364  ax-pr 5428  ax-un 7725  ax-inf2 9636  ax-cc 10430  ax-cnex 11166  ax-resscn 11167  ax-1cn 11168  ax-icn 11169  ax-addcl 11170  ax-addrcl 11171  ax-mulcl 11172  ax-mulrcl 11173  ax-mulcom 11174  ax-addass 11175  ax-mulass 11176  ax-distr 11177  ax-i2m1 11178  ax-1ne0 11179  ax-1rid 11180  ax-rnegex 11181  ax-rrecex 11182  ax-cnre 11183  ax-pre-lttri 11184  ax-pre-lttrn 11185  ax-pre-ltadd 11186  ax-pre-mulgt0 11187  ax-pre-sup 11188  ax-addf 11189  ax-mulf 11190

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 398  df-or 847  df-3or 1089  df-3an 1090  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1783  df-nf 1787  df-sb 2069  df-mo 2535  df-eu 2564  df-clab 2711  df-cleq 2725  df-clel 2811  df-nfc 2886  df-ne 2942  df-nel 3048  df-ral 3063  df-rex 3072  df-rmo 3377  df-reu 3378  df-rab 3434  df-v 3477  df-sbc 3779  df-csb 3895  df-dif 3952  df-un 3954  df-in 3956  df-ss 3966  df-pss 3968  df-symdif 4243  df-nul 4324  df-if 4530  df-pw 4605  df-sn 4630  df-pr 4632  df-tp 4634  df-op 4636  df-uni 4910  df-int 4952  df-iun 5000  df-iin 5001  df-disj 5115  df-br 5150  df-opab 5212  df-mpt 5233  df-tr 5267  df-id 5575  df-eprel 5581  df-po 5589  df-so 5590  df-fr 5632  df-se 5633  df-we 5634  df-xp 5683  df-rel 5684  df-cnv 5685  df-co 5686  df-dm 5687  df-rn 5688  df-res 5689  df-ima 5690  df-pred 6301  df-ord 6368  df-on 6369  df-lim 6370  df-suc 6371  df-iota 6496  df-fun 6546  df-fn 6547  df-f 6548  df-f1 6549  df-fo 6550  df-f1o 6551  df-fv 6552  df-isom 6553  df-riota 7365  df-ov 7412  df-oprab 7413  df-mpo 7414  df-of 7670  df-ofr 7671  df-om 7856  df-1st 7975  df-2nd 7976  df-supp 8147  df-frecs 8266  df-wrecs 8297  df-recs 8371  df-rdg 8410  df-1o 8466  df-2o 8467  df-oadd 8470  df-omul 8471  df-er 8703  df-map 8822  df-pm 8823  df-ixp 8892  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-fsupp 9362  df-fi 9406  df-sup 9437  df-inf 9438  df-oi 9505  df-dju 9896  df-card 9934  df-acn 9937  df-pnf 11250  df-mnf 11251  df-xr 11252  df-ltxr 11253  df-le 11254  df-sub 11446  df-neg 11447  df-div 11872  df-nn 12213  df-2 12275  df-3 12276  df-4 12277  df-5 12278  df-6 12279  df-7 12280  df-8 12281  df-9 12282  df-n0 12473  df-xnn0 12545  df-z 12559  df-dec 12678  df-uz 12823  df-q 12933  df-rp 12975  df-xneg 13092  df-xadd 13093  df-xmul 13094  df-ioo 13328  df-ioc 13329  df-ico 13330  df-icc 13331  df-fz 13485  df-fzo 13628  df-fl 13757  df-mod 13835  df-seq 13967  df-exp 14028  df-fac 14234  df-bc 14263  df-hash 14291  df-shft 15014  df-cj 15046  df-re 15047  df-im 15048  df-sqrt 15182  df-abs 15183  df-limsup 15415  df-clim 15432  df-rlim 15433  df-sum 15633  df-ef 16011  df-e 16012  df-sin 16013  df-cos 16014  df-tan 16015  df-pi 16016  df-dvds 16198  df-struct 17080  df-sets 17097  df-slot 17115  df-ndx 17127  df-base 17145  df-ress 17174  df-plusg 17210  df-mulr 17211  df-starv 17212  df-sca 17213  df-vsca 17214  df-ip 17215  df-tset 17216  df-ple 17217  df-ds 17219  df-unif 17220  df-hom 17221  df-cco 17222  df-rest 17368  df-topn 17369  df-0g 17387  df-gsum 17388  df-topgen 17389  df-pt 17390  df-prds 17393  df-xrs 17448  df-qtop 17453  df-imas 17454  df-xps 17456  df-mre 17530  df-mrc 17531  df-acs 17533  df-mgm 18561  df-sgrp 18610  df-mnd 18626  df-submnd 18672  df-mulg 18951  df-cntz 19181  df-cmn 19650  df-psmet 20936  df-xmet 20937  df-met 20938  df-bl 20939  df-mopn 20940  df-fbas 20941  df-fg 20942  df-cnfld 20945  df-top 22396  df-topon 22413  df-topsp 22435  df-bases 22449  df-cld 22523  df-ntr 22524  df-cls 22525  df-nei 22602  df-lp 22640  df-perf 22641  df-cn 22731  df-cnp 22732  df-lm 22733  df-haus 22819  df-cmp 22891  df-tx 23066  df-hmeo 23259  df-fil 23350  df-fm 23442  df-flim 23443  df-flf 23444  df-xms 23826  df-ms 23827  df-tms 23828  df-cncf 24394  df-ovol 24981  df-vol 24982  df-mbf 25136  df-itg1 25137  df-itg2 25138  df-ibl 25139  df-itg 25140  df-0p 25187  df-limc 25383  df-dv 25384  df-ulm 25889  df-log 26065  df-cxp 26066

This theorem is referenced by: (None)