subfaclim - Mathbox for Mario Carneiro

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Theorem subfaclim 33050

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 12170	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ₀)
2		faccl 13925	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
3	1, 2	syl 17	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
4	3	nncnd 11919	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℂ)
5		ere 15726	. . . . . . 7 ⊢ e ∈ ℝ
6	5	recni 10920	. . . . . 6 ⊢ e ∈ ℂ
7		epos 15844	. . . . . . 7 ⊢ 0 < e
8	5, 7	gt0ne0ii 11441	. . . . . 6 ⊢ e ≠ 0
9		divcl 11569	. . . . . 6 ⊢ (((!‘𝑁) ∈ ℂ ∧ e ∈ ℂ ∧ e ≠ 0) → ((!‘𝑁) / e) ∈ ℂ)
10	6, 8, 9	mp3an23 1451	. . . . 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 33037	. . . . . . 7 ⊢ 𝑆:ℕ₀⟶ℕ₀
15	14	ffvelrni 6942	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℕ₀)
16	1, 15	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℕ₀)
17	16	nn0cnd 12225	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℂ)
18	11, 17	subcld 11262	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁)) ∈ ℂ)
19	18	abscld 15076	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) ∈ ℝ)
20		peano2nn 11915	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℕ)
21	20	peano2nnd 11920	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℕ)
22	21	nnred 11918	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℝ)
23	20, 20	nnmulcld 11956	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
24	22, 23	nndivred 11957	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) ∈ ℝ)
25		nnrecre 11945	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 𝑁) ∈ ℝ)
26		eqid 2738	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))
27		eqid 2738	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ (((abs‘-1)↑𝑛) / (!‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ (((abs‘-1)↑𝑛) / (!‘𝑛)))
28		eqid 2738	. . . . . 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 12017	. . . . . . 7 ⊢ -1 ∈ ℂ
30	29	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → -1 ∈ ℂ)
31		ax-1cn 10860	. . . . . . . . . 10 ⊢ 1 ∈ ℂ
32	31	absnegi 15040	. . . . . . . . 9 ⊢ (abs‘-1) = (abs‘1)
33		abs1 14937	. . . . . . . . 9 ⊢ (abs‘1) = 1
34	32, 33	eqtri 2766	. . . . . . . 8 ⊢ (abs‘-1) = 1
35		1le1 11533	. . . . . . . 8 ⊢ 1 ≤ 1
36	34, 35	eqbrtri 5091	. . . . . . 7 ⊢ (abs‘-1) ≤ 1
37	36	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘-1) ≤ 1)
38	26, 27, 28, 20, 30, 37	eftlub 15746	. . . . 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 12223	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℕ₀)
40		eluznn0 12586	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑁 + 1) ∈ ℕ₀ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
41	39, 40	sylan 579	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
42	26	eftval 15714	. . . . . . . 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 15343	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘) = Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
45	44	fveq2d 6760	. . . . 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 7265	. . . . . . . 8 ⊢ ((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) = (1↑(𝑁 + 1))
47	20	nnzd 12354	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℤ)
48		1exp 13740	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑁 + 1) ∈ ℤ → (1↑(𝑁 + 1)) = 1)
49	47, 48	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1↑(𝑁 + 1)) = 1)
50	46, 49	syl5eq 2791	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) = 1)
51	50	oveq1d 7270	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))) = (1 · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
52		faccl 13925	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 + 1) ∈ ℕ₀ → (!‘(𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
53	39, 52	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘(𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
54	53, 20	nnmulcld 11956	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
55	22, 54	nndivred 11957	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ∈ ℝ)
56	55	recnd 10934	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ∈ ℂ)
57	56	mulid2d 10924	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))) = (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
58	51, 57	eqtrd 2778	. . . . 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 5101	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ≤ (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
60		eqid 2738	. . . . . . 7 ⊢ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1)) = (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))
61		eftcl 15711	. . . . . . . . 9 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
62	29, 61	mpan 686	. . . . . . . 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 15743	. . . . . . . 8 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ (𝑁 + 1) ∈ ℕ₀) → seq(𝑁 + 1)( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
65	29, 39, 64	sylancr 586	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → seq(𝑁 + 1)( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
66	60, 47, 43, 63, 65	isumcl 15401	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
67	66	abscld 15076	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ∈ ℝ)
68	3	nnred 11918	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℝ)
69	3	nngt0d 11952	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (!‘𝑁))
70		lemul2 11758	. . . . 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 1372	. . . 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 231	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) ≤ ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
73	12, 13	subfacval2 33049	. . . . . . . . . 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 11911	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
76		pncan 11157	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑁 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑁 + 1) − 1) = 𝑁)
77	75, 31, 76	sylancl 585	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) − 1) = 𝑁)
78	77	oveq2d 7271	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0...((𝑁 + 1) − 1)) = (0...𝑁))
79	78	sumeq1d 15341	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) = Σ𝑘 ∈ (0...𝑁)((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
80	79	oveq2d 7271	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...𝑁)((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
81	74, 80	eqtr4d 2781	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
82	81	oveq1d 7270	. . . . . . 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 11579	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((!‘𝑁) ∈ ℂ ∧ e ∈ ℂ ∧ e ≠ 0) → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
84	6, 8, 83	mp3an23 1451	. . . . . . . . 9 ⊢ ((!‘𝑁) ∈ ℂ → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
85	4, 84	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
86		df-e 15706	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ e = (exp‘1)
87	86	oveq2i 7266	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (1 / e) = (1 / (exp‘1))
88		efneg 15735	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (1 ∈ ℂ → (exp‘-1) = (1 / (exp‘1)))
89	31, 88	ax-mp 5	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (exp‘-1) = (1 / (exp‘1))
90		efval 15717	. . . . . . . . . . . 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 2772	. . . . . . . . . 10 ⊢ (1 / e) = Σ𝑘 ∈ ℕ₀ ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))
93		nn0uz 12549	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ℕ₀ = (ℤ_≥‘0)
94	42	adantl 481	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘) = ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
95	62	adantl 481	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
96		0nn0 12178	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 0 ∈ ℕ₀
97	26	eftlcvg 15743	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ 0 ∈ ℕ₀) → seq0( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
98	29, 96, 97	mp2an 688	. . . . . . . . . . . 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 15480	. . . . . . . . . 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 2791	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / e) = (Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
102	101	oveq2d 7271	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · (1 / e)) = ((!‘𝑁) · (Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
103		fzfid 13621	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0...((𝑁 + 1) − 1)) ∈ Fin)
104		elfznn0 13278	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
105	104	adantl 481	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
106	29, 105, 61	sylancr 586	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
107	103, 106	fsumcl 15373	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
108	4, 107, 66	adddid 10930	. . . . . . . 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 2782	. . . . . . 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 2781	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑆‘𝑁) + ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) = ((!‘𝑁) / e))
111	4, 66	mulcld 10926	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ∈ ℂ)
112	11, 17, 111	subaddd 11280	. . . . . 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 256	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁)) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
114	113	fveq2d 6760	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) = (abs‘((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
115	4, 66	absmuld 15094	. . . 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 12223	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℕ₀)
117	116	nn0ge0d 12226	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ (!‘𝑁))
118	68, 117	absidd 15062	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(!‘𝑁)) = (!‘𝑁))
119	118	oveq1d 7270	. . . 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 2782	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) = ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
121		facp1 13920	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (!‘(𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)))
122	1, 121	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘(𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)))
123	122	oveq1d 7270	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) = (((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))
124	20	nncnd 11919	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℂ)
125	4, 124, 124	mulassd 10929	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
126	123, 125	eqtr2d 2779	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))
127	126	oveq2d 7271	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))) = (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
128	21	nncnd 11919	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℂ)
129	23	nncnd 11919	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℂ)
130	23	nnne0d 11953	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ≠ 0)
131	3	nnne0d 11953	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ≠ 0)
132	128, 129, 4, 130, 131	divcan5d 11707	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))) = (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
133	54	nncnd 11919	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ∈ ℂ)
134	54	nnne0d 11953	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ≠ 0)
135	4, 128, 133, 134	divassd 11716	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) = ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
136	127, 132, 135	3eqtr3d 2786	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
137	72, 120, 136	3brtr4d 5102	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) ≤ (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
138		nnmulcl 11927	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ ℕ) → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℕ)
139	21, 138	mpancom 684	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℕ)
140	139	nnred 11918	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℝ)
141	140	ltp1d 11835	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) < ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
142	129	mulid2d 10924	. . . . 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 10931	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) = ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))))
145	75, 124	mulcomd 10927	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 · (𝑁 + 1)) = ((𝑁 + 1) · 𝑁))
146	124	mulid2d 10924	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · (𝑁 + 1)) = (𝑁 + 1))
147	145, 146	oveq12d 7273	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
148	124, 143, 75	adddird 10931	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)))
149	148	oveq1d 7270	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1) = ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) + 1))
150	75	mulid2d 10924	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · 𝑁) = 𝑁)
151	150	oveq2d 7271	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁))
152	151	oveq1d 7270	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) + 1) = ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁) + 1))
153	124, 75	mulcld 10926	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · 𝑁) ∈ ℂ)
154	153, 75, 143	addassd 10928	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁) + 1) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
155	149, 152, 154	3eqtrd 2782	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
156	147, 155	eqtr4d 2781	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))) = ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
157	142, 144, 156	3eqtrd 2782	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
158	141, 157	breqtrrd 5098	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) < (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
159		nnre 11910	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℝ)
160		nngt0 11934	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 < 𝑁)
161	159, 160	jca 511	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑁))
162		1red 10907	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℝ)
163		nnre 11910	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℝ)
164		nngt0 11934	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ → 0 < ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))
165	163, 164	jca 511	. . . . 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 11783	. . . 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 835	. . 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 231	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) < (1 / 𝑁))
170	19, 24, 25, 137, 169	lelttrd 11063	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) < (1 / 𝑁))

Colors of variables: wff setvar class

Syntax hints: → wi 4 ↔ wb 205 ∧ wa 395 = wceq 1539 ∈ wcel 2108 {cab 2715 ≠ wne 2942 ∀wral 3063 class class class wbr 5070 ↦ cmpt 5153 dom cdm 5580 –1-1-onto→wf1o 6417 ‘cfv 6418 (class class class)co 7255 Fincfn 8691 ℂcc 10800 ℝcr 10801 0cc0 10802 1c1 10803 + caddc 10805 · cmul 10807 < clt 10940 ≤ cle 10941 − cmin 11135 -cneg 11136 / cdiv 11562 ℕcn 11903 ℕ₀cn0 12163 ℤcz 12249 ℤ_≥cuz 12511 ...cfz 13168 seqcseq 13649 ↑cexp 13710 !cfa 13915 ♯chash 13972 abscabs 14873 ⇝ cli 15121 Σcsu 15325 expce 15699 eceu 15700

This theorem was proved from axioms: ax-mp 5 ax-1 6 ax-2 7 ax-3 8 ax-gen 1799 ax-4 1813 ax-5 1914 ax-6 1972 ax-7 2012 ax-8 2110 ax-9 2118 ax-10 2139 ax-11 2156 ax-12 2173 ax-ext 2709 ax-rep 5205 ax-sep 5218 ax-nul 5225 ax-pow 5283 ax-pr 5347 ax-un 7566 ax-inf2 9329 ax-cnex 10858 ax-resscn 10859 ax-1cn 10860 ax-icn 10861 ax-addcl 10862 ax-addrcl 10863 ax-mulcl 10864 ax-mulrcl 10865 ax-mulcom 10866 ax-addass 10867 ax-mulass 10868 ax-distr 10869 ax-i2m1 10870 ax-1ne0 10871 ax-1rid 10872 ax-rnegex 10873 ax-rrecex 10874 ax-cnre 10875 ax-pre-lttri 10876 ax-pre-lttrn 10877 ax-pre-ltadd 10878 ax-pre-mulgt0 10879 ax-pre-sup 10880

This theorem depends on definitions: df-bi 206 df-an 396 df-or 844 df-3or 1086 df-3an 1087 df-tru 1542 df-fal 1552 df-ex 1784 df-nf 1788 df-sb 2069 df-mo 2540 df-eu 2569 df-clab 2716 df-cleq 2730 df-clel 2817 df-nfc 2888 df-ne 2943 df-nel 3049 df-ral 3068 df-rex 3069 df-reu 3070 df-rmo 3071 df-rab 3072 df-v 3424 df-sbc 3712 df-csb 3829 df-dif 3886 df-un 3888 df-in 3890 df-ss 3900 df-pss 3902 df-nul 4254 df-if 4457 df-pw 4532 df-sn 4559 df-pr 4561 df-tp 4563 df-op 4565 df-uni 4837 df-int 4877 df-iun 4923 df-br 5071 df-opab 5133 df-mpt 5154 df-tr 5188 df-id 5480 df-eprel 5486 df-po 5494 df-so 5495 df-fr 5535 df-se 5536 df-we 5537 df-xp 5586 df-rel 5587 df-cnv 5588 df-co 5589 df-dm 5590 df-rn 5591 df-res 5592 df-ima 5593 df-pred 6191 df-ord 6254 df-on 6255 df-lim 6256 df-suc 6257 df-iota 6376 df-fun 6420 df-fn 6421 df-f 6422 df-f1 6423 df-fo 6424 df-f1o 6425 df-fv 6426 df-isom 6427 df-riota 7212 df-ov 7258 df-oprab 7259 df-mpo 7260 df-om 7688 df-1st 7804 df-2nd 7805 df-frecs 8068 df-wrecs 8099 df-recs 8173 df-rdg 8212 df-1o 8267 df-oadd 8271 df-er 8456 df-map 8575 df-pm 8576 df-en 8692 df-dom 8693 df-sdom 8694 df-fin 8695 df-sup 9131 df-inf 9132 df-oi 9199 df-dju 9590 df-card 9628 df-pnf 10942 df-mnf 10943 df-xr 10944 df-ltxr 10945 df-le 10946 df-sub 11137 df-neg 11138 df-div 11563 df-nn 11904 df-2 11966 df-3 11967 df-4 11968 df-n0 12164 df-xnn0 12236 df-z 12250 df-uz 12512 df-q 12618 df-rp 12660 df-ico 13014 df-fz 13169 df-fzo 13312 df-fl 13440 df-seq 13650 df-exp 13711 df-fac 13916 df-bc 13945 df-hash 13973 df-shft 14706 df-cj 14738 df-re 14739 df-im 14740 df-sqrt 14874 df-abs 14875 df-limsup 15108 df-clim 15125 df-rlim 15126 df-sum 15326 df-ef 15705 df-e 15706

This theorem is referenced by: subfacval3 33051

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