Theorem wallispilem2 44769

Description: A first set of properties for the sequence 𝐼 that will be used in the proof of the Wallis product formula. (Contributed by Glauco Siliprandi, 29-Jun-2017.)

Hypothesis

Ref	Expression
wallispilem2.1	⊢ 𝐼 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ∫(0(,)π)((sin‘𝑥)↑𝑛) d𝑥)

Assertion

Ref	Expression
wallispilem2	⊢ ((𝐼‘0) = π ∧ (𝐼‘1) = 2 ∧ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) → (𝐼‘𝑁) = (((𝑁 − 1) / 𝑁) · (𝐼‘(𝑁 − 2)))))

Distinct variable group:   𝑥,𝑛,𝑁

Allowed substitution hints:   𝐼(𝑥,𝑛)

Proof of Theorem wallispilem2

Step	Hyp	Ref	Expression
1		0nn0 12484	. . 3 ⊢ 0 ∈ ℕ0
2		oveq2 7414	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 = 0 → ((sin‘𝑥)↑𝑛) = ((sin‘𝑥)↑0))
3	2	adantr 482	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑛 = 0 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → ((sin‘𝑥)↑𝑛) = ((sin‘𝑥)↑0))
4		ioosscn 13383	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (0(,)π) ⊆ ℂ
5	4	sseli 3978	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑥 ∈ (0(,)π) → 𝑥 ∈ ℂ)
6	5	sincld 16070	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 ∈ (0(,)π) → (sin‘𝑥) ∈ ℂ)
7	6	adantl 483	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑛 = 0 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → (sin‘𝑥) ∈ ℂ)
8	7	exp0d 14102	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑛 = 0 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → ((sin‘𝑥)↑0) = 1)
9	3, 8	eqtrd 2773	. . . . . 6 ⊢ ((𝑛 = 0 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → ((sin‘𝑥)↑𝑛) = 1)
10	9	itgeq2dv 25291	. . . . 5 ⊢ (𝑛 = 0 → ∫(0(,)π)((sin‘𝑥)↑𝑛) d𝑥 = ∫(0(,)π)1 d𝑥)
11		ioombl 25074	. . . . . . 7 ⊢ (0(,)π) ∈ dom vol
12		0re 11213	. . . . . . . 8 ⊢ 0 ∈ ℝ
13		pire 25960	. . . . . . . 8 ⊢ π ∈ ℝ
14		ioovolcl 25079	. . . . . . . 8 ⊢ ((0 ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ) → (vol‘(0(,)π)) ∈ ℝ)
15	12, 13, 14	mp2an 691	. . . . . . 7 ⊢ (vol‘(0(,)π)) ∈ ℝ
16		ax-1cn 11165	. . . . . . 7 ⊢ 1 ∈ ℂ
17		itgconst 25328	. . . . . . 7 ⊢ (((0(,)π) ∈ dom vol ∧ (vol‘(0(,)π)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℂ) → ∫(0(,)π)1 d𝑥 = (1 · (vol‘(0(,)π))))
18	11, 15, 16, 17	mp3an 1462	. . . . . 6 ⊢ ∫(0(,)π)1 d𝑥 = (1 · (vol‘(0(,)π)))
19	15	recni 11225	. . . . . . . 8 ⊢ (vol‘(0(,)π)) ∈ ℂ
20	19	mullidi 11216	. . . . . . 7 ⊢ (1 · (vol‘(0(,)π))) = (vol‘(0(,)π))
21		pipos 25962	. . . . . . . . . 10 ⊢ 0 < π
22	12, 13, 21	ltleii 11334	. . . . . . . . 9 ⊢ 0 ≤ π
23		volioo 25078	. . . . . . . . 9 ⊢ ((0 ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ ∧ 0 ≤ π) → (vol‘(0(,)π)) = (π − 0))
24	12, 13, 22, 23	mp3an 1462	. . . . . . . 8 ⊢ (vol‘(0(,)π)) = (π − 0)
25	13	recni 11225	. . . . . . . . 9 ⊢ π ∈ ℂ
26	25	subid1i 11529	. . . . . . . 8 ⊢ (π − 0) = π
27	24, 26	eqtri 2761	. . . . . . 7 ⊢ (vol‘(0(,)π)) = π
28	20, 27	eqtri 2761	. . . . . 6 ⊢ (1 · (vol‘(0(,)π))) = π
29	18, 28	eqtri 2761	. . . . 5 ⊢ ∫(0(,)π)1 d𝑥 = π
30	10, 29	eqtrdi 2789	. . . 4 ⊢ (𝑛 = 0 → ∫(0(,)π)((sin‘𝑥)↑𝑛) d𝑥 = π)
31		wallispilem2.1	. . . 4 ⊢ 𝐼 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ∫(0(,)π)((sin‘𝑥)↑𝑛) d𝑥)
32	13	elexi 3494	. . . 4 ⊢ π ∈ V
33	30, 31, 32	fvmpt 6996	. . 3 ⊢ (0 ∈ ℕ0 → (𝐼‘0) = π)
34	1, 33	ax-mp 5	. 2 ⊢ (𝐼‘0) = π
35		1nn0 12485	. . . 4 ⊢ 1 ∈ ℕ0
36		simpl 484	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑛 = 1 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → 𝑛 = 1)
37	36	oveq2d 7422	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑛 = 1 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → ((sin‘𝑥)↑𝑛) = ((sin‘𝑥)↑1))
38	6	adantl 483	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑛 = 1 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → (sin‘𝑥) ∈ ℂ)
39	38	exp1d 14103	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑛 = 1 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → ((sin‘𝑥)↑1) = (sin‘𝑥))
40	37, 39	eqtrd 2773	. . . . . 6 ⊢ ((𝑛 = 1 ∧ 𝑥 ∈ (0(,)π)) → ((sin‘𝑥)↑𝑛) = (sin‘𝑥))
41	40	itgeq2dv 25291	. . . . 5 ⊢ (𝑛 = 1 → ∫(0(,)π)((sin‘𝑥)↑𝑛) d𝑥 = ∫(0(,)π)(sin‘𝑥) d𝑥)
42		itgex 25280	. . . . 5 ⊢ ∫(0(,)π)(sin‘𝑥) d𝑥 ∈ V
43	41, 31, 42	fvmpt 6996	. . . 4 ⊢ (1 ∈ ℕ0 → (𝐼‘1) = ∫(0(,)π)(sin‘𝑥) d𝑥)
44	35, 43	ax-mp 5	. . 3 ⊢ (𝐼‘1) = ∫(0(,)π)(sin‘𝑥) d𝑥
45		itgsin0pi 44655	. . 3 ⊢ ∫(0(,)π)(sin‘𝑥) d𝑥 = 2
46	44, 45	eqtri 2761	. 2 ⊢ (𝐼‘1) = 2
47		id 22	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) → 𝑁 ∈ (ℤ≥‘2))
48	31, 47	itgsinexp 44658	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) → (𝐼‘𝑁) = (((𝑁 − 1) / 𝑁) · (𝐼‘(𝑁 − 2))))
49	34, 46, 48	3pm3.2i 1340	1 ⊢ ((𝐼‘0) = π ∧ (𝐼‘1) = 2 ∧ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) → (𝐼‘𝑁) = (((𝑁 − 1) / 𝑁) · (𝐼‘(𝑁 − 2)))))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 397   ∧ w3a 1088   = wceq 1542   ∈ wcel 2107   class class class wbr 5148   ↦ cmpt 5231  dom cdm 5676  ‘cfv 6541  (class class class)co 7406  ℂcc 11105  ℝcr 11106  0cc0 11107  1c1 11108   · cmul 11112   ≤ cle 11246   − cmin 11441   / cdiv 11868  2c2 12264  ℕ₀cn0 12469  ℤ_≥cuz 12819  (,)cioo 13321  ↑cexp 14024  sincsin 16004  πcpi 16007  volcvol 24972  ∫citg 25127

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 5285  ax-sep 5299  ax-nul 5306  ax-pow 5363  ax-pr 5427  ax-un 7722  ax-inf2 9633  ax-cc 10427  ax-cnex 11163  ax-resscn 11164  ax-1cn 11165  ax-icn 11166  ax-addcl 11167  ax-addrcl 11168  ax-mulcl 11169  ax-mulrcl 11170  ax-mulcom 11171  ax-addass 11172  ax-mulass 11173  ax-distr 11174  ax-i2m1 11175  ax-1ne0 11176  ax-1rid 11177  ax-rnegex 11178  ax-rrecex 11179  ax-cnre 11180  ax-pre-lttri 11181  ax-pre-lttrn 11182  ax-pre-ltadd 11183  ax-pre-mulgt0 11184  ax-pre-sup 11185  ax-addf 11186  ax-mulf 11187

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 3778  df-csb 3894  df-dif 3951  df-un 3953  df-in 3955  df-ss 3965  df-pss 3967  df-symdif 4242  df-nul 4323  df-if 4529  df-pw 4604  df-sn 4629  df-pr 4631  df-tp 4633  df-op 4635  df-uni 4909  df-int 4951  df-iun 4999  df-iin 5000  df-disj 5114  df-br 5149  df-opab 5211  df-mpt 5232  df-tr 5266  df-id 5574  df-eprel 5580  df-po 5588  df-so 5589  df-fr 5631  df-se 5632  df-we 5633  df-xp 5682  df-rel 5683  df-cnv 5684  df-co 5685  df-dm 5686  df-rn 5687  df-res 5688  df-ima 5689  df-pred 6298  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6493  df-fun 6543  df-fn 6544  df-f 6545  df-f1 6546  df-fo 6547  df-f1o 6548  df-fv 6549  df-isom 6550  df-riota 7362  df-ov 7409  df-oprab 7410  df-mpo 7411  df-of 7667  df-ofr 7668  df-om 7853  df-1st 7972  df-2nd 7973  df-supp 8144  df-frecs 8263  df-wrecs 8294  df-recs 8368  df-rdg 8407  df-1o 8463  df-2o 8464  df-oadd 8467  df-omul 8468  df-er 8700  df-map 8819  df-pm 8820  df-ixp 8889  df-en 8937  df-dom 8938  df-sdom 8939  df-fin 8940  df-fsupp 9359  df-fi 9403  df-sup 9434  df-inf 9435  df-oi 9502  df-dju 9893  df-card 9931  df-acn 9934  df-pnf 11247  df-mnf 11248  df-xr 11249  df-ltxr 11250  df-le 11251  df-sub 11443  df-neg 11444  df-div 11869  df-nn 12210  df-2 12272  df-3 12273  df-4 12274  df-5 12275  df-6 12276  df-7 12277  df-8 12278  df-9 12279  df-n0 12470  df-z 12556  df-dec 12675  df-uz 12820  df-q 12930  df-rp 12972  df-xneg 13089  df-xadd 13090  df-xmul 13091  df-ioo 13325  df-ioc 13326  df-ico 13327  df-icc 13328  df-fz 13482  df-fzo 13625  df-fl 13754  df-mod 13832  df-seq 13964  df-exp 14025  df-fac 14231  df-bc 14260  df-hash 14288  df-shft 15011  df-cj 15043  df-re 15044  df-im 15045  df-sqrt 15179  df-abs 15180  df-limsup 15412  df-clim 15429  df-rlim 15430  df-sum 15630  df-ef 16008  df-sin 16010  df-cos 16011  df-pi 16013  df-struct 17077  df-sets 17094  df-slot 17112  df-ndx 17124  df-base 17142  df-ress 17171  df-plusg 17207  df-mulr 17208  df-starv 17209  df-sca 17210  df-vsca 17211  df-ip 17212  df-tset 17213  df-ple 17214  df-ds 17216  df-unif 17217  df-hom 17218  df-cco 17219  df-rest 17365  df-topn 17366  df-0g 17384  df-gsum 17385  df-topgen 17386  df-pt 17387  df-prds 17390  df-xrs 17445  df-qtop 17450  df-imas 17451  df-xps 17453  df-mre 17527  df-mrc 17528  df-acs 17530  df-mgm 18558  df-sgrp 18607  df-mnd 18623  df-submnd 18669  df-mulg 18946  df-cntz 19176  df-cmn 19645  df-psmet 20929  df-xmet 20930  df-met 20931  df-bl 20932  df-mopn 20933  df-fbas 20934  df-fg 20935  df-cnfld 20938  df-top 22388  df-topon 22405  df-topsp 22427  df-bases 22441  df-cld 22515  df-ntr 22516  df-cls 22517  df-nei 22594  df-lp 22632  df-perf 22633  df-cn 22723  df-cnp 22724  df-haus 22811  df-cmp 22883  df-tx 23058  df-hmeo 23251  df-fil 23342  df-fm 23434  df-flim 23435  df-flf 23436  df-xms 23818  df-ms 23819  df-tms 23820  df-cncf 24386  df-ovol 24973  df-vol 24974  df-mbf 25128  df-itg1 25129  df-itg2 25130  df-ibl 25131  df-itg 25132  df-0p 25179  df-limc 25375  df-dv 25376

This theorem is referenced by:  wallispilem3  44770  wallispilem4  44771