MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  birthday Structured version   Visualization version   Unicode version

Theorem birthday 24681
Description: The Birthday Problem. There is a more than even chance that out of 23 people in a room, at least two of them have the same birthday. Mathematically, this is asserting that for  K  =  2 3 and  N  =  3 6 5, fewer than half of the set of all functions from  1 ... K to  1 ... N are injective. This is Metamath 100 proof #93. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Apr-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
birthday.s  |-  S  =  { f  |  f : ( 1 ... K ) --> ( 1 ... N ) }
birthday.t  |-  T  =  { f  |  f : ( 1 ... K ) -1-1-> ( 1 ... N ) }
birthday.k  |-  K  = ; 2
3
birthday.n  |-  N  = ;; 3 6 5
Assertion
Ref Expression
birthday  |-  ( (
# `  T )  /  ( # `  S
) )  <  (
1  /  2 )
Distinct variable groups:    f, K    f, N
Allowed substitution hints:    S( f)    T( f)

Proof of Theorem birthday
StepHypRef Expression
1 birthday.k . . . 4  |-  K  = ; 2
3
2 2nn0 11309 . . . . 5  |-  2  e.  NN0
3 3nn0 11310 . . . . 5  |-  3  e.  NN0
42, 3deccl 11512 . . . 4  |- ; 2 3  e.  NN0
51, 4eqeltri 2697 . . 3  |-  K  e. 
NN0
6 birthday.n . . . 4  |-  N  = ;; 3 6 5
7 6nn0 11313 . . . . . 6  |-  6  e.  NN0
83, 7deccl 11512 . . . . 5  |- ; 3 6  e.  NN0
9 5nn 11188 . . . . 5  |-  5  e.  NN
108, 9decnncl 11518 . . . 4  |- ;; 3 6 5  e.  NN
116, 10eqeltri 2697 . . 3  |-  N  e.  NN
12 birthday.s . . . 4  |-  S  =  { f  |  f : ( 1 ... K ) --> ( 1 ... N ) }
13 birthday.t . . . 4  |-  T  =  { f  |  f : ( 1 ... K ) -1-1-> ( 1 ... N ) }
1412, 13birthdaylem3 24680 . . 3  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  N  e.  NN )  ->  ( ( # `  T
)  /  ( # `  S ) )  <_ 
( exp `  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N ) ) )
155, 11, 14mp2an 708 . 2  |-  ( (
# `  T )  /  ( # `  S
) )  <_  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )
16 log2ub 24676 . . . . . 6  |-  ( log `  2 )  < 
(;; 2 5 3  / ;; 3 6 5 )
175nn0cni 11304 . . . . . . . . . . . 12  |-  K  e.  CC
1817sqvali 12943 . . . . . . . . . . 11  |-  ( K ^ 2 )  =  ( K  x.  K
)
1917mulid1i 10042 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( K  x.  1 )  =  K
2019eqcomi 2631 . . . . . . . . . . 11  |-  K  =  ( K  x.  1 )
2118, 20oveq12i 6662 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( K ^ 2 )  -  K )  =  ( ( K  x.  K )  -  ( K  x.  1 ) )
22 ax-1cn 9994 . . . . . . . . . . 11  |-  1  e.  CC
2317, 17, 22subdii 10479 . . . . . . . . . 10  |-  ( K  x.  ( K  - 
1 ) )  =  ( ( K  x.  K )  -  ( K  x.  1 ) )
2421, 23eqtr4i 2647 . . . . . . . . 9  |-  ( ( K ^ 2 )  -  K )  =  ( K  x.  ( K  -  1 ) )
2524oveq1i 6660 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  =  ( ( K  x.  ( K  -  1
) )  /  2
)
2617, 22subcli 10357 . . . . . . . . . 10  |-  ( K  -  1 )  e.  CC
27 2cn 11091 . . . . . . . . . 10  |-  2  e.  CC
28 2ne0 11113 . . . . . . . . . 10  |-  2  =/=  0
2917, 26, 27, 28divassi 10781 . . . . . . . . 9  |-  ( ( K  x.  ( K  -  1 ) )  /  2 )  =  ( K  x.  (
( K  -  1 )  /  2 ) )
30 1nn0 11308 . . . . . . . . . 10  |-  1  e.  NN0
31 2p1e3 11151 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( 2  +  1 )  =  3
32 eqid 2622 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |- ; 2 2  = ; 2 2
332, 2, 31, 32decsuc 11535 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  (; 2 2  +  1 )  = ; 2 3
341, 33eqtr4i 2647 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  K  =  (; 2 2  +  1 )
3534oveq1i 6660 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( K  -  1 )  =  ( (; 2 2  +  1 )  -  1 )
362, 2deccl 11512 . . . . . . . . . . . . . . 15  |- ; 2 2  e.  NN0
3736nn0cni 11304 . . . . . . . . . . . . . 14  |- ; 2 2  e.  CC
3837, 22pncan3oi 10297 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( (; 2
2  +  1 )  -  1 )  = ; 2
2
3935, 38eqtri 2644 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( K  -  1 )  = ; 2
2
4039oveq1i 6660 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( K  -  1 )  /  2 )  =  (; 2 2  /  2
)
41 eqid 2622 . . . . . . . . . . . . 13  |- ; 1 1  = ; 1 1
42 0nn0 11307 . . . . . . . . . . . . 13  |-  0  e.  NN0
4327mulid1i 10042 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( 2  x.  1 )  =  2
4443oveq1i 6660 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( 2  x.  1 )  +  0 )  =  ( 2  +  0 )
4527addid1i 10223 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( 2  +  0 )  =  2
4644, 45eqtri 2644 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( 2  x.  1 )  +  0 )  =  2
472dec0h 11522 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  2  = ; 0 2
4843, 47eqtri 2644 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( 2  x.  1 )  = ; 0
2
492, 30, 30, 41, 2, 42, 46, 48decmul2c 11589 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( 2  x. ; 1 1 )  = ; 2
2
5030, 30deccl 11512 . . . . . . . . . . . . . 14  |- ; 1 1  e.  NN0
5150nn0cni 11304 . . . . . . . . . . . . 13  |- ; 1 1  e.  CC
5237, 27, 51, 28divmuli 10779 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( (; 2
2  /  2 )  = ; 1 1  <->  ( 2  x. ; 1 1 )  = ; 2
2 )
5349, 52mpbir 221 . . . . . . . . . . 11  |-  (; 2 2  /  2
)  = ; 1 1
5440, 53eqtri 2644 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( K  -  1 )  /  2 )  = ; 1
1
5519, 1eqtri 2644 . . . . . . . . . . 11  |-  ( K  x.  1 )  = ; 2
3
56 3p2e5 11160 . . . . . . . . . . 11  |-  ( 3  +  2 )  =  5
572, 3, 2, 55, 56decaddi 11579 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( K  x.  1 )  +  2 )  = ; 2
5
585, 30, 30, 54, 3, 2, 57, 55decmul2c 11589 . . . . . . . . 9  |-  ( K  x.  ( ( K  -  1 )  / 
2 ) )  = ;; 2 5 3
5929, 58eqtri 2644 . . . . . . . 8  |-  ( ( K  x.  ( K  -  1 ) )  /  2 )  = ;; 2 5 3
6025, 59eqtri 2644 . . . . . . 7  |-  ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  = ;; 2 5 3
6160, 6oveq12i 6662 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( K ^
2 )  -  K
)  /  2 )  /  N )  =  (;; 2 5 3  / ;; 3 6 5 )
6216, 61breqtrri 4680 . . . . 5  |-  ( log `  2 )  < 
( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
)
63 2rp 11837 . . . . . . 7  |-  2  e.  RR+
64 relogcl 24322 . . . . . . 7  |-  ( 2  e.  RR+  ->  ( log `  2 )  e.  RR )
6563, 64ax-mp 5 . . . . . 6  |-  ( log `  2 )  e.  RR
66 5nn0 11312 . . . . . . . . . . 11  |-  5  e.  NN0
672, 66deccl 11512 . . . . . . . . . 10  |- ; 2 5  e.  NN0
6867, 3deccl 11512 . . . . . . . . 9  |- ;; 2 5 3  e.  NN0
6960, 68eqeltri 2697 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  e. 
NN0
7069nn0rei 11303 . . . . . . 7  |-  ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  e.  RR
71 nndivre 11056 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  e.  RR  /\  N  e.  NN )  ->  ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
)  e.  RR )
7270, 11, 71mp2an 708 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( K ^
2 )  -  K
)  /  2 )  /  N )  e.  RR
7365, 72ltnegi 10572 . . . . 5  |-  ( ( log `  2 )  <  ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N )  <->  -u ( ( ( ( K ^
2 )  -  K
)  /  2 )  /  N )  <  -u ( log `  2
) )
7462, 73mpbi 220 . . . 4  |-  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N )  <  -u ( log `  2
)
7572renegcli 10342 . . . . 5  |-  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N )  e.  RR
7665renegcli 10342 . . . . 5  |-  -u ( log `  2 )  e.  RR
77 eflt 14847 . . . . 5  |-  ( (
-u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N )  e.  RR  /\  -u ( log `  2
)  e.  RR )  ->  ( -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N )  <  -u ( log `  2
)  <->  ( exp `  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N ) )  <  ( exp `  -u ( log `  2
) ) ) )
7875, 76, 77mp2an 708 . . . 4  |-  ( -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
)  <  -u ( log `  2 )  <->  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
) )  <  ( exp `  -u ( log `  2
) ) )
7974, 78mpbi 220 . . 3  |-  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )  < 
( exp `  -u ( log `  2 ) )
8065recni 10052 . . . . 5  |-  ( log `  2 )  e.  CC
81 efneg 14828 . . . . 5  |-  ( ( log `  2 )  e.  CC  ->  ( exp `  -u ( log `  2
) )  =  ( 1  /  ( exp `  ( log `  2
) ) ) )
8280, 81ax-mp 5 . . . 4  |-  ( exp `  -u ( log `  2
) )  =  ( 1  /  ( exp `  ( log `  2
) ) )
83 reeflog 24327 . . . . . 6  |-  ( 2  e.  RR+  ->  ( exp `  ( log `  2
) )  =  2 )
8463, 83ax-mp 5 . . . . 5  |-  ( exp `  ( log `  2
) )  =  2
8584oveq2i 6661 . . . 4  |-  ( 1  /  ( exp `  ( log `  2 ) ) )  =  ( 1  /  2 )
8682, 85eqtri 2644 . . 3  |-  ( exp `  -u ( log `  2
) )  =  ( 1  /  2 )
8779, 86breqtri 4678 . 2  |-  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )  < 
( 1  /  2
)
8812, 13birthdaylem1 24678 . . . . . . . 8  |-  ( T 
C_  S  /\  S  e.  Fin  /\  ( N  e.  NN  ->  S  =/=  (/) ) )
8988simp2i 1071 . . . . . . 7  |-  S  e. 
Fin
9088simp1i 1070 . . . . . . 7  |-  T  C_  S
91 ssfi 8180 . . . . . . 7  |-  ( ( S  e.  Fin  /\  T  C_  S )  ->  T  e.  Fin )
9289, 90, 91mp2an 708 . . . . . 6  |-  T  e. 
Fin
93 hashcl 13147 . . . . . 6  |-  ( T  e.  Fin  ->  ( # `
 T )  e. 
NN0 )
9492, 93ax-mp 5 . . . . 5  |-  ( # `  T )  e.  NN0
9594nn0rei 11303 . . . 4  |-  ( # `  T )  e.  RR
9688simp3i 1072 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  S  =/=  (/) )
9711, 96ax-mp 5 . . . . 5  |-  S  =/=  (/)
98 hashnncl 13157 . . . . . 6  |-  ( S  e.  Fin  ->  (
( # `  S )  e.  NN  <->  S  =/=  (/) ) )
9989, 98ax-mp 5 . . . . 5  |-  ( (
# `  S )  e.  NN  <->  S  =/=  (/) )
10097, 99mpbir 221 . . . 4  |-  ( # `  S )  e.  NN
101 nndivre 11056 . . . 4  |-  ( ( ( # `  T
)  e.  RR  /\  ( # `  S )  e.  NN )  -> 
( ( # `  T
)  /  ( # `  S ) )  e.  RR )
10295, 100, 101mp2an 708 . . 3  |-  ( (
# `  T )  /  ( # `  S
) )  e.  RR
103 reefcl 14817 . . . 4  |-  ( -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  / 
2 )  /  N
)  e.  RR  ->  ( exp `  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N ) )  e.  RR )
10475, 103ax-mp 5 . . 3  |-  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )  e.  RR
105 halfre 11246 . . 3  |-  ( 1  /  2 )  e.  RR
106102, 104, 105lelttri 10164 . 2  |-  ( ( ( ( # `  T
)  /  ( # `  S ) )  <_ 
( exp `  -u (
( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2
)  /  N ) )  /\  ( exp `  -u ( ( ( ( K ^ 2 )  -  K )  /  2 )  /  N ) )  < 
( 1  /  2
) )  ->  (
( # `  T )  /  ( # `  S
) )  <  (
1  /  2 ) )
10715, 87, 106mp2an 708 1  |-  ( (
# `  T )  /  ( # `  S
) )  <  (
1  /  2 )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:    -> wi 4    <-> wb 196    = wceq 1483    e. wcel 1990   {cab 2608    =/= wne 2794    C_ wss 3574   (/)c0 3915   class class class wbr 4653   -->wf 5884   -1-1->wf1 5885   ` cfv 5888  (class class class)co 6650   Fincfn 7955   CCcc 9934   RRcr 9935   0cc0 9936   1c1 9937    + caddc 9939    x. cmul 9941    < clt 10074    <_ cle 10075    - cmin 10266   -ucneg 10267    / cdiv 10684   NNcn 11020   2c2 11070   3c3 11071   5c5 11073   6c6 11074   NN0cn0 11292  ;cdc 11493   RR+crp 11832   ...cfz 12326   ^cexp 12860   #chash 13117   expce 14792   logclog 24301
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1722  ax-4 1737  ax-5 1839  ax-6 1888  ax-7 1935  ax-8 1992  ax-9 1999  ax-10 2019  ax-11 2034  ax-12 2047  ax-13 2246  ax-ext 2602  ax-rep 4771  ax-sep 4781  ax-nul 4789  ax-pow 4843  ax-pr 4906  ax-un 6949  ax-inf2 8538  ax-cnex 9992  ax-resscn 9993  ax-1cn 9994  ax-icn 9995  ax-addcl 9996  ax-addrcl 9997  ax-mulcl 9998  ax-mulrcl 9999  ax-mulcom 10000  ax-addass 10001  ax-mulass 10002  ax-distr 10003  ax-i2m1 10004  ax-1ne0 10005  ax-1rid 10006  ax-rnegex 10007  ax-rrecex 10008  ax-cnre 10009  ax-pre-lttri 10010  ax-pre-lttrn 10011  ax-pre-ltadd 10012  ax-pre-mulgt0 10013  ax-pre-sup 10014  ax-addf 10015  ax-mulf 10016
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3or 1038  df-3an 1039  df-tru 1486  df-fal 1489  df-ex 1705  df-nf 1710  df-sb 1881  df-eu 2474  df-mo 2475  df-clab 2609  df-cleq 2615  df-clel 2618  df-nfc 2753  df-ne 2795  df-nel 2898  df-ral 2917  df-rex 2918  df-reu 2919  df-rmo 2920  df-rab 2921  df-v 3202  df-sbc 3436  df-csb 3534  df-dif 3577  df-un 3579  df-in 3581  df-ss 3588  df-pss 3590  df-nul 3916  df-if 4087  df-pw 4160  df-sn 4178  df-pr 4180  df-tp 4182  df-op 4184  df-uni 4437  df-int 4476  df-iun 4522  df-iin 4523  df-br 4654  df-opab 4713  df-mpt 4730  df-tr 4753  df-id 5024  df-eprel 5029  df-po 5035  df-so 5036  df-fr 5073  df-se 5074  df-we 5075  df-xp 5120  df-rel 5121  df-cnv 5122  df-co 5123  df-dm 5124  df-rn 5125  df-res 5126  df-ima 5127  df-pred 5680  df-ord 5726  df-on 5727  df-lim 5728  df-suc 5729  df-iota 5851  df-fun 5890  df-fn 5891  df-f 5892  df-f1 5893  df-fo 5894  df-f1o 5895  df-fv 5896  df-isom 5897  df-riota 6611  df-ov 6653  df-oprab 6654  df-mpt2 6655  df-of 6897  df-om 7066  df-1st 7168  df-2nd 7169  df-supp 7296  df-wrecs 7407  df-recs 7468  df-rdg 7506  df-1o 7560  df-2o 7561  df-oadd 7564  df-er 7742  df-map 7859  df-pm 7860  df-ixp 7909  df-en 7956  df-dom 7957  df-sdom 7958  df-fin 7959  df-fsupp 8276  df-fi 8317  df-sup 8348  df-inf 8349  df-oi 8415  df-card 8765  df-cda 8990  df-pnf 10076  df-mnf 10077  df-xr 10078  df-ltxr 10079  df-le 10080  df-sub 10268  df-neg 10269  df-div 10685  df-nn 11021  df-2 11079  df-3 11080  df-4 11081  df-5 11082  df-6 11083  df-7 11084  df-8 11085  df-9 11086  df-n0 11293  df-xnn0 11364  df-z 11378  df-dec 11494  df-uz 11688  df-q 11789  df-rp 11833  df-xneg 11946  df-xadd 11947  df-xmul 11948  df-ioo 12179  df-ioc 12180  df-ico 12181  df-icc 12182  df-fz 12327  df-fzo 12466  df-fl 12593  df-mod 12669  df-seq 12802  df-exp 12861  df-fac 13061  df-bc 13090  df-hash 13118  df-shft 13807  df-cj 13839  df-re 13840  df-im 13841  df-sqrt 13975  df-abs 13976  df-limsup 14202  df-clim 14219  df-rlim 14220  df-sum 14417  df-ef 14798  df-sin 14800  df-cos 14801  df-tan 14802  df-pi 14803  df-dvds 14984  df-struct 15859  df-ndx 15860  df-slot 15861  df-base 15863  df-sets 15864  df-ress 15865  df-plusg 15954  df-mulr 15955  df-starv 15956  df-sca 15957  df-vsca 15958  df-ip 15959  df-tset 15960  df-ple 15961  df-ds 15964  df-unif 15965  df-hom 15966  df-cco 15967  df-rest 16083  df-topn 16084  df-0g 16102  df-gsum 16103  df-topgen 16104  df-pt 16105  df-prds 16108  df-xrs 16162  df-qtop 16167  df-imas 16168  df-xps 16170  df-mre 16246  df-mrc 16247  df-acs 16249  df-mgm 17242  df-sgrp 17284  df-mnd 17295  df-submnd 17336  df-mulg 17541  df-cntz 17750  df-cmn 18195  df-psmet 19738  df-xmet 19739  df-met 19740  df-bl 19741  df-mopn 19742  df-fbas 19743  df-fg 19744  df-cnfld 19747  df-top 20699  df-topon 20716  df-topsp 20737  df-bases 20750  df-cld 20823  df-ntr 20824  df-cls 20825  df-nei 20902  df-lp 20940  df-perf 20941  df-cn 21031  df-cnp 21032  df-haus 21119  df-cmp 21190  df-tx 21365  df-hmeo 21558  df-fil 21650  df-fm 21742  df-flim 21743  df-flf 21744  df-xms 22125  df-ms 22126  df-tms 22127  df-cncf 22681  df-limc 23630  df-dv 23631  df-ulm 24131  df-log 24303  df-atan 24594
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator