subfaclim - Mathbox for Mario Carneiro

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Theorem subfaclim 31170

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 11299	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ₀)
2		faccl 13070	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
3	1, 2	syl 17	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
4	3	nncnd 11036	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℂ)
5		ere 14819	. . . . . . 7 ⊢ e ∈ ℝ
6	5	recni 10052	. . . . . 6 ⊢ e ∈ ℂ
7		epos 14935	. . . . . . 7 ⊢ 0 < e
8	5, 7	gt0ne0ii 10564	. . . . . 6 ⊢ e ≠ 0
9		divcl 10691	. . . . . 6 ⊢ (((!‘𝑁) ∈ ℂ ∧ e ∈ ℂ ∧ e ≠ 0) → ((!‘𝑁) / e) ∈ ℂ)
10	6, 8, 9	mp3an23 1416	. . . . 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 31157	. . . . . . 7 ⊢ 𝑆:ℕ₀⟶ℕ₀
15	14	ffvelrni 6358	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℕ₀)
16	1, 15	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℕ₀)
17	16	nn0cnd 11353	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) ∈ ℂ)
18	11, 17	subcld 10392	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁)) ∈ ℂ)
19	18	abscld 14175	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) ∈ ℝ)
20		peano2nn 11032	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℕ)
21	20	peano2nnd 11037	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℕ)
22	21	nnred 11035	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℝ)
23	20, 20	nnmulcld 11068	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
24	22, 23	nndivred 11069	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) ∈ ℝ)
25		nnrecre 11057	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / 𝑁) ∈ ℝ)
26		eqid 2622	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))
27		eqid 2622	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ (((abs‘-1)↑𝑛) / (!‘𝑛))) = (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ (((abs‘-1)↑𝑛) / (!‘𝑛)))
28		eqid 2622	. . . . . 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 11124	. . . . . . 7 ⊢ -1 ∈ ℂ
30	29	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → -1 ∈ ℂ)
31		ax-1cn 9994	. . . . . . . . . 10 ⊢ 1 ∈ ℂ
32	31	absnegi 14139	. . . . . . . . 9 ⊢ (abs‘-1) = (abs‘1)
33		abs1 14037	. . . . . . . . 9 ⊢ (abs‘1) = 1
34	32, 33	eqtri 2644	. . . . . . . 8 ⊢ (abs‘-1) = 1
35		1le1 10655	. . . . . . . 8 ⊢ 1 ≤ 1
36	34, 35	eqbrtri 4674	. . . . . . 7 ⊢ (abs‘-1) ≤ 1
37	36	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘-1) ≤ 1)
38	26, 27, 28, 20, 30, 37	eftlub 14839	. . . . 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 11351	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℕ₀)
40		eluznn0 11757	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑁 + 1) ∈ ℕ₀ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
41	39, 40	sylan 488	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
42	26	eftval 14807	. . . . . . . 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 14433	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘) = Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
45	44	fveq2d 6195	. . . . 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 6660	. . . . . . . 8 ⊢ ((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) = (1↑(𝑁 + 1))
47	20	nnzd 11481	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℤ)
48		1exp 12889	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑁 + 1) ∈ ℤ → (1↑(𝑁 + 1)) = 1)
49	47, 48	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1↑(𝑁 + 1)) = 1)
50	46, 49	syl5eq 2668	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) = 1)
51	50	oveq1d 6665	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((abs‘-1)↑(𝑁 + 1)) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))) = (1 · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
52		faccl 13070	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 + 1) ∈ ℕ₀ → (!‘(𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
53	39, 52	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘(𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
54	53, 20	nnmulcld 11068	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ)
55	22, 54	nndivred 11069	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ∈ ℝ)
56	55	recnd 10068	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) ∈ ℂ)
57	56	mulid2d 10058	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))) = (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
58	51, 57	eqtrd 2656	. . . . 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 4684	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ≤ (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
60		eqid 2622	. . . . . . 7 ⊢ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1)) = (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))
61		eftcl 14804	. . . . . . . . 9 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
62	29, 61	mpan 706	. . . . . . . 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 14836	. . . . . . . 8 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ (𝑁 + 1) ∈ ℕ₀) → seq(𝑁 + 1)( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
65	29, 39, 64	sylancr 695	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → seq(𝑁 + 1)( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
66	60, 47, 43, 63, 65	isumcl 14492	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
67	66	abscld 14175	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ∈ ℝ)
68	3	nnred 11035	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℝ)
69	3	nngt0d 11064	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 < (!‘𝑁))
70		lemul2 10876	. . . . 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 1330	. . . 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 222	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) ≤ ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
73	12, 13	subfacval2 31169	. . . . . . . . . 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 11028	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
76		pncan 10287	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑁 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑁 + 1) − 1) = 𝑁)
77	75, 31, 76	sylancl 694	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) − 1) = 𝑁)
78	77	oveq2d 6666	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0...((𝑁 + 1) − 1)) = (0...𝑁))
79	78	sumeq1d 14431	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) = Σ𝑘 ∈ (0...𝑁)((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
80	79	oveq2d 6666	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...𝑁)((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
81	74, 80	eqtr4d 2659	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑆‘𝑁) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
82	81	oveq1d 6665	. . . . . . 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 10701	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((!‘𝑁) ∈ ℂ ∧ e ∈ ℂ ∧ e ≠ 0) → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
84	6, 8, 83	mp3an23 1416	. . . . . . . . 9 ⊢ ((!‘𝑁) ∈ ℂ → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
85	4, 84	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) / e) = ((!‘𝑁) · (1 / e)))
86		df-e 14799	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ e = (exp‘1)
87	86	oveq2i 6661	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (1 / e) = (1 / (exp‘1))
88		efneg 14828	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (1 ∈ ℂ → (exp‘-1) = (1 / (exp‘1)))
89	31, 88	ax-mp 5	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (exp‘-1) = (1 / (exp‘1))
90		efval 14810	. . . . . . . . . . . 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 2650	. . . . . . . . . 10 ⊢ (1 / e) = Σ𝑘 ∈ ℕ₀ ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))
93		nn0uz 11722	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ℕ₀ = (ℤ_≥‘0)
94	42	adantl 482	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))‘𝑘) = ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))
95	62	adantl 482	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ₀) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
96		0nn0 11307	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 0 ∈ ℕ₀
97	26	eftlcvg 14836	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((-1 ∈ ℂ ∧ 0 ∈ ℕ₀) → seq0( + , (𝑛 ∈ ℕ₀ ↦ ((-1↑𝑛) / (!‘𝑛)))) ∈ dom ⇝ )
98	29, 96, 97	mp2an 708	. . . . . . . . . . . 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 14572	. . . . . . . . . 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 2668	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 / e) = (Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
102	101	oveq2d 6666	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · (1 / e)) = ((!‘𝑁) · (Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
103		fzfid 12772	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0...((𝑁 + 1) − 1)) ∈ Fin)
104		elfznn0 12433	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
105	104	adantl 482	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ₀)
106	29, 105, 61	sylancr 695	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))) → ((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
107	103, 106	fsumcl 14464	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑁 + 1) − 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)) ∈ ℂ)
108	4, 107, 66	adddid 10064	. . . . . . . 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 2660	. . . . . . 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 2659	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑆‘𝑁) + ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))) = ((!‘𝑁) / e))
111	4, 66	mulcld 10060	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))) ∈ ℂ)
112	11, 17, 111	subaddd 10410	. . . . . 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 247	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁)) = ((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘))))
114	113	fveq2d 6195	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) = (abs‘((!‘𝑁) · Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
115	4, 66	absmuld 14193	. . . 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 11351	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ∈ ℕ₀)
117	116	nn0ge0d 11354	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 ≤ (!‘𝑁))
118	68, 117	absidd 14161	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(!‘𝑁)) = (!‘𝑁))
119	118	oveq1d 6665	. . . 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 2660	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) = ((!‘𝑁) · (abs‘Σ𝑘 ∈ (ℤ_≥‘(𝑁 + 1))((-1↑𝑘) / (!‘𝑘)))))
121		facp1 13065	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (!‘(𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)))
122	1, 121	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘(𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)))
123	122	oveq1d 6665	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) = (((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))
124	20	nncnd 11036	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℂ)
125	4, 124, 124	mulassd 10063	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · (𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) = ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
126	123, 125	eqtr2d 2657	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))
127	126	oveq2d 6666	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))) = (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))))
128	21	nncnd 11036	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℂ)
129	23	nncnd 11036	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℂ)
130	23	nnne0d 11065	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ≠ 0)
131	3	nnne0d 11065	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (!‘𝑁) ≠ 0)
132	128, 129, 4, 130, 131	divcan5d 10827	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))) = (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
133	54	nncnd 11036	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ∈ ℂ)
134	54	nnne0d 11065	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)) ≠ 0)
135	4, 128, 133, 134	divassd 10836	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((!‘𝑁) · ((𝑁 + 1) + 1)) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1))) = ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
136	127, 132, 135	3eqtr3d 2664	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((!‘𝑁) · (((𝑁 + 1) + 1) / ((!‘(𝑁 + 1)) · (𝑁 + 1)))))
137	72, 120, 136	3brtr4d 4685	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) ≤ (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
138		nnmulcl 11043	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑁 + 1) + 1) ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ ℕ) → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℕ)
139	21, 138	mpancom 703	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℕ)
140	139	nnred 11035	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) ∈ ℝ)
141	140	ltp1d 10954	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) < ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
142	129	mulid2d 10058	. . . . 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 10065	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) = ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))))
145	75, 124	mulcomd 10061	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 · (𝑁 + 1)) = ((𝑁 + 1) · 𝑁))
146	124	mulid2d 10058	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · (𝑁 + 1)) = (𝑁 + 1))
147	145, 146	oveq12d 6668	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
148	124, 143, 75	adddird 10065	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)))
149	148	oveq1d 6665	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1) = ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) + 1))
150	75	mulid2d 10058	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · 𝑁) = 𝑁)
151	150	oveq2d 6666	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁))
152	151	oveq1d 6665	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + (1 · 𝑁)) + 1) = ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁) + 1))
153	124, 75	mulcld 10060	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · 𝑁) ∈ ℂ)
154	153, 75, 143	addassd 10062	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) · 𝑁) + 𝑁) + 1) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
155	149, 152, 154	3eqtrd 2660	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) + (𝑁 + 1)))
156	147, 155	eqtr4d 2659	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 · (𝑁 + 1)) + (1 · (𝑁 + 1))) = ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
157	142, 144, 156	3eqtrd 2660	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) = ((((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) + 1))
158	141, 157	breqtrrd 4681	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) · 𝑁) < (1 · ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))))
159		nnre 11027	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℝ)
160		nngt0 11049	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 0 < 𝑁)
161	159, 160	jca 554	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑁))
162		1red 10055	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℝ)
163		nnre 11027	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℝ)
164		nngt0 11049	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)) ∈ ℕ → 0 < ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1)))
165	163, 164	jca 554	. . . . 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 10901	. . . 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 1327	. . 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 222	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) + 1) / ((𝑁 + 1) · (𝑁 + 1))) < (1 / 𝑁))
170	19, 24, 25, 137, 169	lelttrd 10195	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (abs‘(((!‘𝑁) / e) − (𝑆‘𝑁))) < (1 / 𝑁))

Colors of variables: wff setvar class

Syntax hints: → wi 4 ↔ wb 196 ∧ wa 384 = wceq 1483 ∈ wcel 1990 {cab 2608 ≠ wne 2794 ∀wral 2912 class class class wbr 4653 ↦ cmpt 4729 dom cdm 5114 –1-1-onto→wf1o 5887 ‘cfv 5888 (class class class)co 6650 Fincfn 7955 ℂcc 9934 ℝcr 9935 0cc0 9936 1c1 9937 + caddc 9939 · cmul 9941 < clt 10074 ≤ cle 10075 − cmin 10266 -cneg 10267 / cdiv 10684 ℕcn 11020 ℕ₀cn0 11292 ℤcz 11377 ℤ_≥cuz 11687 ...cfz 12326 seqcseq 12801 ↑cexp 12860 !cfa 13060 #chash 13117 abscabs 13974 ⇝ cli 14215 Σcsu 14416 expce 14792 eceu 14793

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-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-om 7066 df-1st 7168 df-2nd 7169 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-en 7956 df-dom 7957 df-sdom 7958 df-fin 7959 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-n0 11293 df-xnn0 11364 df-z 11378 df-uz 11688 df-q 11789 df-rp 11833 df-ico 12181 df-fz 12327 df-fzo 12466 df-fl 12593 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-e 14799

This theorem is referenced by: subfacval3 31171

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