subfaclim - Mathbox for Mario Carneiro

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Theorem subfaclim 31769

Description: The subfactorial converges rapidly to 𝑁! / e. This is part of Metamath 100 proof #88. (Contributed by Mario Carneiro, 23-Jan-2015.)

**Hypotheses**
Ref	Expression
derang.d	⊢ 𝐷 = (𝑥 ∈ Fin ↦ (♯‘{𝑓 ∣ (𝑓:𝑥–1-1-onto→𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ 𝑥 (𝑓‘𝑦) ≠ 𝑦)}))
subfac.n	⊢ 𝑆 = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ (𝐷‘(1...𝑛)))

**Assertion**
Ref	Expression
subfaclim	⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) < (1 / 𝑁))

Distinct variable groups: 𝑓,𝑛,𝑥,𝑦,𝑁 𝐷,𝑛 𝑆,𝑛,𝑥,𝑦 Allowed substitution hints: 𝐷(𝑥,𝑦,𝑓) 𝑆(𝑓)

Proof of Theorem subfaclim Dummy variable 𝑘 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nnnn0 11650	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ₀)
2		faccl 13388	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
3	1, 2	syl 17	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
4	3	nncnd 11392	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℂ)
5		ere 15221	. . . . . . 7 ⊢ e ∈ ℝ
6	5	recni 10391	. . . . . 6 ⊢ e ∈ ℂ
7		epos 15339	. . . . . . 7 ⊢ 0 < e
8	5, 7	gt0ne0ii 10911	. . . . . 6 ⊢ e ≠ 0
9		divcl 11039	. . . . . 6 ⊢ (((!‘𝑁) ∈ ℂ ∧ e ∈ ℂ ∧ e ≠ 0) → ((!‘𝑁) / e) ∈ ℂ)
10	6, 8, 9	mp3an23 1526	. . . . 5 ⊢ ((!‘𝑁) ∈ ℂ → ((!‘𝑁) / e) ∈ ℂ)
11	4, 10	syl 17	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) / e) ∈ ℂ)
12		derang.d	. . . . . . . 8 ⊢ 𝐷 = (𝑥 ∈ Fin ↦ (♯‘{𝑓 ∣ (𝑓:𝑥–1-1-onto→𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ 𝑥 (𝑓‘𝑦) ≠ 𝑦)}))
13		subfac.n	. . . . . . . 8 ⊢ 𝑆 = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ (𝐷‘(1...𝑛)))
14	12, 13	subfacf 31756	. . . . . . 7 ⊢ 𝑆:ℕ₀⟶ℕ₀
15	14	ffvelrni 6622	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℕ₀)
16	1, 15	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℕ₀)
17	16	nn0cnd 11704	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℂ)
18	11, 17	subcld 10734	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁)) ∈ ℂ)
19	18	abscld 14583	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) ∈ ℝ)
20		peano2nn 11388	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℕ)
21	20	peano2nnd 11393	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℕ)
22	21	nnred 11391	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℝ)
23	20, 20	nnmulcld 11428	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
24	22, 23	nndivred 11429	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) ∈ ℝ)
25		nnrecre 11417	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 𝑁) ∈ ℝ)
26		eqid 2777	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))
27		eqid 2777	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ (((abs‘-1)↑𝑛) / (!‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ (((abs‘-1)↑𝑛) / (!‘𝑛)))
28		eqid 2777	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) / (!‘(𝑁 + 1))) · ((1 / ((𝑁 + 1) + 1))↑𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) / (!‘(𝑁 + 1))) · ((1 / ((𝑁 + 1) + 1))↑𝑛)))
29		neg1cn 11496	. . . . . . 7 ⊢ -1 ∈ ℂ
30	29	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → -1 ∈ ℂ)
31		ax-1cn 10330	. . . . . . . . . 10 ⊢ 1 ∈ ℂ
32	31	absnegi 14547	. . . . . . . . 9 ⊢ (abs‘-1) = (abs‘1)
33		abs1 14444	. . . . . . . . 9 ⊢ (abs‘1) = 1
34	32, 33	eqtri 2801	. . . . . . . 8 ⊢ (abs‘-1) = 1
35		1le1 11003	. . . . . . . 8 ⊢ 1 ≤ 1
36	34, 35	eqbrtri 4907	. . . . . . 7 ⊢ (abs‘-1) ≤ 1
37	36	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘-1) ≤ 1)
38	26, 27, 28, 20, 30, 37	eftlub 15241	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘)) ≤ (((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
39	20	nnnn0d 11702	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℕ₀)
40		eluznn0 12064	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑁 + 1) ∈ ℕ₀ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
41	39, 40	sylan 575	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
42	26	eftval 15209	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ₀ → ((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘) = ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
43	41, 42	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))) → ((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘) = ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
44	43	sumeq2dv 14841	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘) = Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
45	44	fveq2d 6450	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘)) = (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
46	34	oveq1i 6932	. . . . . . . 8 ⊢ ((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) = (1↑(𝑁 + 1))
47	20	nnzd 11833	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℤ)
48		1exp 13207	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑁 + 1) ∈ ℤ → (1↑(𝑁 + 1)) = 1)
49	47, 48	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1↑(𝑁 + 1)) = 1)
50	46, 49	syl5eq 2825	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) = 1)
51	50	oveq1d 6937	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))) = (1 · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
52		faccl 13388	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 + 1) ∈ ℕ₀ → (!‘(𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
53	39, 52	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘(𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
54	53, 20	nnmulcld 11428	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
55	22, 54	nndivred 11429	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ∈ ℝ)
56	55	recnd 10405	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ∈ ℂ)
57	56	mulid2d 10395	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))) = (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
58	51, 57	eqtrd 2813	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))) = (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
59	38, 45, 58	3brtr3d 4917	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ≤ (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
60		eqid 2777	. . . . . . 7 ⊢ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1)) = (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))
61		eftcl 15206	. . . . . . . . 9 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
62	29, 61	mpan 680	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ₀ → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
63	41, 62	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
64	26	eftlcvg 15238	. . . . . . . 8 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ (𝑁 + 1) ∈ ℕ₀) → seq(𝑁 + 1)( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
65	29, 39, 64	sylancr 581	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → seq(𝑁 + 1)( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
66	60, 47, 43, 63, 65	isumcl 14897	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
67	66	abscld 14583	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ∈ ℝ)
68	3	nnred 11391	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℝ)
69	3	nngt0d 11424	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (!‘𝑁))
70		lemul2 11230	. . . . 5 ⊢ (((abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ∈ ℝ ∧ (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ∈ ℝ ∧ ((!‘𝑁) ∈ ℝ ∧ 0 < (!‘𝑁))) → ((abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ≤ (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ↔ ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) ≤ ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))))
71	67, 55, 68, 69, 70	syl112anc 1442	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ≤ (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ↔ ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) ≤ ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))))
72	59, 71	mpbid 224	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) ≤ ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
73	12, 13	subfacval2 31768	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (𝑆‘𝑁) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...𝑁)((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
74	1, 73	syl 17	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...𝑁)((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
75		nncn 11383	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
76		pncan 10628	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑁 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑁 + 1) − 1) = 𝑁)
77	75, 31, 76	sylancl 580	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) − 1) = 𝑁)
78	77	oveq2d 6938	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0...((𝑁 + 1) − 1)) = (0...𝑁))
79	78	sumeq1d 14839	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) = Σ𝑘 ∈ (0...𝑁)((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
80	79	oveq2d 6938	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...𝑁)((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
81	74, 80	eqtr4d 2816	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
82	81	oveq1d 6937	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑆‘𝑁) + ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) = (((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) + ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
83		divrec 11049	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((!‘𝑁) ∈ ℂ ∧ e ∈ ℂ ∧ e ≠ 0) → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
84	6, 8, 83	mp3an23 1526	. . . . . . . . 9 ⊢ ((!‘𝑁) ∈ ℂ → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
85	4, 84	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
86		df-e 15201	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ e = (exp‘1)
87	86	oveq2i 6933	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (1 / e) = (1 / (exp‘1))
88		efneg 15230	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (1 ∈ ℂ → (exp‘-1) = (1 / (exp‘1)))
89	31, 88	ax-mp 5	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (exp‘-1) = (1 / (exp‘1))
90		efval 15212	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (-1 ∈ ℂ → (exp‘-1) = Σ𝑘 ∈ ℕ₀ ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
91	29, 90	ax-mp 5	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (exp‘-1) = Σ𝑘 ∈ ℕ₀ ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))
92	87, 89, 91	3eqtr2i 2807	. . . . . . . . . 10 ⊢ (1 / e) = Σ𝑘 ∈ ℕ₀ ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))
93		nn0uz 12028	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ℕ₀ = (ℤ_≥‘0)
94	42	adantl 475	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘) = ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
95	62	adantl 475	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
96		0nn0 11659	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 0 ∈ ℕ₀
97	26	eftlcvg 15238	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ 0 ∈ ℕ₀) → seq0( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
98	29, 96, 97	mp2an 682	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ seq0( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝
99	98	a1i 11	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → seq0( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
100	93, 60, 39, 94, 95, 99	isumsplit 14976	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ ℕ₀ ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) = (Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
101	92, 100	syl5eq 2825	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / e) = (Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
102	101	oveq2d 6938	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · (1 / e)) = ((!‘𝑁) · (Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
103		fzfid 13091	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0...((𝑁 + 1) − 1)) ∈ Fin)
104		elfznn0 12751	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
105	104	adantl 475	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
106	29, 105, 61	sylancr 581	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
107	103, 106	fsumcl 14871	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
108	4, 107, 66	adddid 10401	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · (Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) = (((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) + ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
109	85, 102, 108	3eqtrd 2817	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) / e) = (((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) + ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
110	82, 109	eqtr4d 2816	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑆‘𝑁) + ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) = ((!‘𝑁) / e))
111	4, 66	mulcld 10397	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ∈ ℂ)
112	11, 17, 111	subaddd 10752	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁)) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ↔ ((𝑆‘𝑁) + ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) = ((!‘𝑁) / e)))
113	110, 112	mpbird 249	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁)) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
114	113	fveq2d 6450	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) = (abs‘((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
115	4, 66	absmuld 14601	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) = ((abs‘(!‘𝑁)) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
116	3	nnnn0d 11702	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℕ₀)
117	116	nn0ge0d 11705	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ (!‘𝑁))
118	68, 117	absidd 14569	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(!‘𝑁)) = (!‘𝑁))
119	118	oveq1d 6937	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((abs‘(!‘𝑁)) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) = ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
120	114, 115, 119	3eqtrd 2817	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) = ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
121		facp1 13383	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (!‘(𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)))
122	1, 121	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘(𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)))
123	122	oveq1d 6937	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) = (((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))
124	20	nncnd 11392	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℂ)
125	4, 124, 124	mulassd 10400	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
126	123, 125	eqtr2d 2814	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))
127	126	oveq2d 6938	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))) = (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
128	21	nncnd 11392	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℂ)
129	23	nncnd 11392	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℂ)
130	23	nnne0d 11425	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ≠ 0)
131	3	nnne0d 11425	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ≠ 0)
132	128, 129, 4, 130, 131	divcan5d 11177	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))) = (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
133	54	nncnd 11392	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ∈ ℂ)
134	54	nnne0d 11425	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ≠ 0)
135	4, 128, 133, 134	divassd 11186	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) = ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
136	127, 132, 135	3eqtr3d 2821	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
137	72, 120, 136	3brtr4d 4918	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) ≤ (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
138		nnmulcl 11399	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ ℕ) → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℕ)
139	21, 138	mpancom 678	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℕ)
140	139	nnred 11391	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℝ)
141	140	ltp1d 11308	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) < ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
142	129	mulid2d 10395	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))
143	31	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
144	75, 143, 124	adddird 10402	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) = ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))))
145	75, 124	mulcomd 10398	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 · (𝑁 + 1)) = ((𝑁 + 1) · 𝑁))
146	124	mulid2d 10395	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · (𝑁 + 1)) = (𝑁 + 1))
147	145, 146	oveq12d 6940	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
148	124, 143, 75	adddird 10402	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)))
149	148	oveq1d 6937	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1) = ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) + 1))
150	75	mulid2d 10395	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · 𝑁) = 𝑁)
151	150	oveq2d 6938	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁))
152	151	oveq1d 6937	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) + 1) = ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁) + 1))
153	124, 75	mulcld 10397	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · 𝑁) ∈ ℂ)
154	153, 75, 143	addassd 10399	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁) + 1) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
155	149, 152, 154	3eqtrd 2817	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
156	147, 155	eqtr4d 2816	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))) = ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
157	142, 144, 156	3eqtrd 2817	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
158	141, 157	breqtrrd 4914	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) < (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
159		nnre 11382	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℝ)
160		nngt0 11407	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 < 𝑁)
161	159, 160	jca 507	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑁))
162		1red 10377	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℝ)
163		nnre 11382	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℝ)
164		nngt0 11407	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ → 0 < ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))
165	163, 164	jca 507	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℝ ∧ 0 < ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
166	23, 165	syl 17	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℝ ∧ 0 < ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
167		lt2mul2div 11255	. . . 4 ⊢ (((((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℝ ∧ (𝑁 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑁)) ∧ (1 ∈ ℝ ∧ (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℝ ∧ 0 < ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))) → ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) < (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) ↔ (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) < (1 / 𝑁)))
168	22, 161, 162, 166, 167	syl22anc 829	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) < (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) ↔ (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) < (1 / 𝑁)))
169	158, 168	mpbid 224	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) < (1 / 𝑁))
170	19, 24, 25, 137, 169	lelttrd 10534	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) < (1 / 𝑁))

Colors of variables: wff setvar class

Syntax hints: → wi 4 ↔ wb 198 ∧ wa 386 = wceq 1601 ∈ wcel 2106 {cab 2762 ≠ wne 2968 ∀wral 3089 class class class wbr 4886 ↦ cmpt 4965 dom cdm 5355 –1-1-onto→wf1o 6134 ‘cfv 6135 (class class class)co 6922 Fincfn 8241 ℂcc 10270 ℝcr 10271 0cc0 10272 1c1 10273 + caddc 10275 · cmul 10277 < clt 10411 ≤ cle 10412 − cmin 10606 -cneg 10607 / cdiv 11032 ℕcn 11374 ℕ₀cn0 11642 ℤcz 11728 ℤ_≥cuz 11992 ...cfz 12643 seqcseq 13119 ↑cexp 13178 !cfa 13378 ♯chash 13435 abscabs 14381 ⇝ cli 14623 Σcsu 14824 expce 15194 eceu 15195

This theorem was proved from axioms: ax-mp 5 ax-1 6 ax-2 7 ax-3 8 ax-gen 1839 ax-4 1853 ax-5 1953 ax-6 2021 ax-7 2054 ax-8 2108 ax-9 2115 ax-10 2134 ax-11 2149 ax-12 2162 ax-13 2333 ax-ext 2753 ax-rep 5006 ax-sep 5017 ax-nul 5025 ax-pow 5077 ax-pr 5138 ax-un 7226 ax-inf2 8835 ax-cnex 10328 ax-resscn 10329 ax-1cn 10330 ax-icn 10331 ax-addcl 10332 ax-addrcl 10333 ax-mulcl 10334 ax-mulrcl 10335 ax-mulcom 10336 ax-addass 10337 ax-mulass 10338 ax-distr 10339 ax-i2m1 10340 ax-1ne0 10341 ax-1rid 10342 ax-rnegex 10343 ax-rrecex 10344 ax-cnre 10345 ax-pre-lttri 10346 ax-pre-lttrn 10347 ax-pre-ltadd 10348 ax-pre-mulgt0 10349 ax-pre-sup 10350 ax-addf 10351 ax-mulf 10352

This theorem depends on definitions: df-bi 199 df-an 387 df-or 837 df-3or 1072 df-3an 1073 df-tru 1605 df-fal 1615 df-ex 1824 df-nf 1828 df-sb 2012 df-mo 2550 df-eu 2586 df-clab 2763 df-cleq 2769 df-clel 2773 df-nfc 2920 df-ne 2969 df-nel 3075 df-ral 3094 df-rex 3095 df-reu 3096 df-rmo 3097 df-rab 3098 df-v 3399 df-sbc 3652 df-csb 3751 df-dif 3794 df-un 3796 df-in 3798 df-ss 3805 df-pss 3807 df-nul 4141 df-if 4307 df-pw 4380 df-sn 4398 df-pr 4400 df-tp 4402 df-op 4404 df-uni 4672 df-int 4711 df-iun 4755 df-br 4887 df-opab 4949 df-mpt 4966 df-tr 4988 df-id 5261 df-eprel 5266 df-po 5274 df-so 5275 df-fr 5314 df-se 5315 df-we 5316 df-xp 5361 df-rel 5362 df-cnv 5363 df-co 5364 df-dm 5365 df-rn 5366 df-res 5367 df-ima 5368 df-pred 5933 df-ord 5979 df-on 5980 df-lim 5981 df-suc 5982 df-iota 6099 df-fun 6137 df-fn 6138 df-f 6139 df-f1 6140 df-fo 6141 df-f1o 6142 df-fv 6143 df-isom 6144 df-riota 6883 df-ov 6925 df-oprab 6926 df-mpt2 6927 df-om 7344 df-1st 7445 df-2nd 7446 df-wrecs 7689 df-recs 7751 df-rdg 7789 df-1o 7843 df-2o 7844 df-oadd 7847 df-er 8026 df-map 8142 df-pm 8143 df-en 8242 df-dom 8243 df-sdom 8244 df-fin 8245 df-sup 8636 df-inf 8637 df-oi 8704 df-card 9098 df-cda 9325 df-pnf 10413 df-mnf 10414 df-xr 10415 df-ltxr 10416 df-le 10417 df-sub 10608 df-neg 10609 df-div 11033 df-nn 11375 df-2 11438 df-3 11439 df-4 11440 df-n0 11643 df-xnn0 11715 df-z 11729 df-uz 11993 df-q 12096 df-rp 12138 df-ico 12493 df-fz 12644 df-fzo 12785 df-fl 12912 df-seq 13120 df-exp 13179 df-fac 13379 df-bc 13408 df-hash 13436 df-shft 14214 df-cj 14246 df-re 14247 df-im 14248 df-sqrt 14382 df-abs 14383 df-limsup 14610 df-clim 14627 df-rlim 14628 df-sum 14825 df-ef 15200 df-e 15201

This theorem is referenced by: subfacval3 31770

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