Theorem subfacp1 33156

Description: A two-term recurrence for the subfactorial. This theorem allows us to forget the combinatorial definition of the derangement number in favor of the recursive definition provided by this theorem and subfac0 33147, subfac1 33148. (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
subfacp1	⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘(𝑁 + 1)) = (𝑁 · ((𝑆‘𝑁) + (𝑆‘(𝑁 − 1)))))

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 subfacp1

Dummy variables 𝑔 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		derang.d	. 2 ⊢ 𝐷 = (𝑥 ∈ Fin ↦ (♯‘{𝑓 ∣ (𝑓:𝑥–1-1-onto→𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ 𝑥 (𝑓‘𝑦) ≠ 𝑦)}))
2		subfac.n	. 2 ⊢ 𝑆 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐷‘(1...𝑛)))
3		f1oeq1 6696	. . . 4 ⊢ (𝑔 = 𝑓 → (𝑔:(1...(𝑁 + 1))–1-1-onto→(1...(𝑁 + 1)) ↔ 𝑓:(1...(𝑁 + 1))–1-1-onto→(1...(𝑁 + 1))))
4		fveq2 6766	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = 𝑦 → (𝑔‘𝑧) = (𝑔‘𝑦))
5		id 22	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = 𝑦 → 𝑧 = 𝑦)
6	4, 5	neeq12d 3005	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = 𝑦 → ((𝑔‘𝑧) ≠ 𝑧 ↔ (𝑔‘𝑦) ≠ 𝑦))
7	6	cbvralvw 3380	. . . . 5 ⊢ (∀𝑧 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑔‘𝑧) ≠ 𝑧 ↔ ∀𝑦 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑔‘𝑦) ≠ 𝑦)
8		fveq1 6765	. . . . . . 7 ⊢ (𝑔 = 𝑓 → (𝑔‘𝑦) = (𝑓‘𝑦))
9	8	neeq1d 3003	. . . . . 6 ⊢ (𝑔 = 𝑓 → ((𝑔‘𝑦) ≠ 𝑦 ↔ (𝑓‘𝑦) ≠ 𝑦))
10	9	ralbidv 3121	. . . . 5 ⊢ (𝑔 = 𝑓 → (∀𝑦 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑔‘𝑦) ≠ 𝑦 ↔ ∀𝑦 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑓‘𝑦) ≠ 𝑦))
11	7, 10	syl5bb 283	. . . 4 ⊢ (𝑔 = 𝑓 → (∀𝑧 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑔‘𝑧) ≠ 𝑧 ↔ ∀𝑦 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑓‘𝑦) ≠ 𝑦))
12	3, 11	anbi12d 631	. . 3 ⊢ (𝑔 = 𝑓 → ((𝑔:(1...(𝑁 + 1))–1-1-onto→(1...(𝑁 + 1)) ∧ ∀𝑧 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑔‘𝑧) ≠ 𝑧) ↔ (𝑓:(1...(𝑁 + 1))–1-1-onto→(1...(𝑁 + 1)) ∧ ∀𝑦 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑓‘𝑦) ≠ 𝑦)))
13	12	cbvabv 2811	. 2 ⊢ {𝑔 ∣ (𝑔:(1...(𝑁 + 1))–1-1-onto→(1...(𝑁 + 1)) ∧ ∀𝑧 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑔‘𝑧) ≠ 𝑧)} = {𝑓 ∣ (𝑓:(1...(𝑁 + 1))–1-1-onto→(1...(𝑁 + 1)) ∧ ∀𝑦 ∈ (1...(𝑁 + 1))(𝑓‘𝑦) ≠ 𝑦)}
14	1, 2, 13	subfacp1lem6 33155	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘(𝑁 + 1)) = (𝑁 · ((𝑆‘𝑁) + (𝑆‘(𝑁 − 1)))))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 396   = wceq 1539   ∈ wcel 2106  {cab 2715   ≠ wne 2943  ∀wral 3064   ↦ cmpt 5156  –1-1-onto→wf1o 6425  ‘cfv 6426  (class class class)co 7267  Fincfn 8720  1c1 10882   + caddc 10884   · cmul 10886   − cmin 11215  ℕcn 11983  ℕ₀cn0 12243  ...cfz 13249  ♯chash 14054

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 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2709  ax-rep 5208  ax-sep 5221  ax-nul 5228  ax-pow 5286  ax-pr 5350  ax-un 7578  ax-cnex 10937  ax-resscn 10938  ax-1cn 10939  ax-icn 10940  ax-addcl 10941  ax-addrcl 10942  ax-mulcl 10943  ax-mulrcl 10944  ax-mulcom 10945  ax-addass 10946  ax-mulass 10947  ax-distr 10948  ax-i2m1 10949  ax-1ne0 10950  ax-1rid 10951  ax-rnegex 10952  ax-rrecex 10953  ax-cnre 10954  ax-pre-lttri 10955  ax-pre-lttrn 10956  ax-pre-ltadd 10957  ax-pre-mulgt0 10958

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 845  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1542  df-fal 1552  df-ex 1783  df-nf 1787  df-sb 2068  df-mo 2540  df-eu 2569  df-clab 2716  df-cleq 2730  df-clel 2816  df-nfc 2889  df-ne 2944  df-nel 3050  df-ral 3069  df-rex 3070  df-reu 3071  df-rab 3073  df-v 3431  df-sbc 3716  df-csb 3832  df-dif 3889  df-un 3891  df-in 3893  df-ss 3903  df-pss 3905  df-nul 4257  df-if 4460  df-pw 4535  df-sn 4562  df-pr 4564  df-op 4568  df-uni 4840  df-int 4880  df-iun 4926  df-br 5074  df-opab 5136  df-mpt 5157  df-tr 5191  df-id 5484  df-eprel 5490  df-po 5498  df-so 5499  df-fr 5539  df-we 5541  df-xp 5590  df-rel 5591  df-cnv 5592  df-co 5593  df-dm 5594  df-rn 5595  df-res 5596  df-ima 5597  df-pred 6195  df-ord 6262  df-on 6263  df-lim 6264  df-suc 6265  df-iota 6384  df-fun 6428  df-fn 6429  df-f 6430  df-f1 6431  df-fo 6432  df-f1o 6433  df-fv 6434  df-riota 7224  df-ov 7270  df-oprab 7271  df-mpo 7272  df-om 7703  df-1st 7820  df-2nd 7821  df-frecs 8084  df-wrecs 8115  df-recs 8189  df-rdg 8228  df-1o 8284  df-oadd 8288  df-er 8485  df-map 8604  df-pm 8605  df-en 8721  df-dom 8722  df-sdom 8723  df-fin 8724  df-dju 9669  df-card 9707  df-pnf 11021  df-mnf 11022  df-xr 11023  df-ltxr 11024  df-le 11025  df-sub 11217  df-neg 11218  df-nn 11984  df-2 12046  df-n0 12244  df-xnn0 12316  df-z 12330  df-uz 12593  df-fz 13250  df-hash 14055

This theorem is referenced by:  subfacval2  33157