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Theorem faclbnd5 11589
Description: The factorial function grows faster than powers and exponentiations. If we consider  K and  M to be constants, the right-hand side of the inequality is a constant times 
N-factorial. (Contributed by NM, 24-Dec-2005.)
Assertion
Ref Expression
faclbnd5  |-  ( ( N  e.  NN0  /\  K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  ->  (
( N ^ K
)  x.  ( M ^ N ) )  <  ( ( 2  x.  ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) )

Proof of Theorem faclbnd5
StepHypRef Expression
1 nn0re 10230 . . . . . . . . 9  |-  ( N  e.  NN0  ->  N  e.  RR )
2 reexpcl 11398 . . . . . . . . 9  |-  ( ( N  e.  RR  /\  K  e.  NN0 )  -> 
( N ^ K
)  e.  RR )
31, 2sylan 458 . . . . . . . 8  |-  ( ( N  e.  NN0  /\  K  e.  NN0 )  -> 
( N ^ K
)  e.  RR )
43ancoms 440 . . . . . . 7  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  N  e.  NN0 )  -> 
( N ^ K
)  e.  RR )
5 nnre 10007 . . . . . . . 8  |-  ( M  e.  NN  ->  M  e.  RR )
6 reexpcl 11398 . . . . . . . 8  |-  ( ( M  e.  RR  /\  N  e.  NN0 )  -> 
( M ^ N
)  e.  RR )
75, 6sylan 458 . . . . . . 7  |-  ( ( M  e.  NN  /\  N  e.  NN0 )  -> 
( M ^ N
)  e.  RR )
8 remulcl 9075 . . . . . . 7  |-  ( ( ( N ^ K
)  e.  RR  /\  ( M ^ N )  e.  RR )  -> 
( ( N ^ K )  x.  ( M ^ N ) )  e.  RR )
94, 7, 8syl2an 464 . . . . . 6  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  N  e.  NN0 )  /\  ( M  e.  NN  /\  N  e.  NN0 )
)  ->  ( ( N ^ K )  x.  ( M ^ N
) )  e.  RR )
109anandirs 805 . . . . 5  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( ( N ^ K )  x.  ( M ^ N
) )  e.  RR )
11 2nn 10133 . . . . . . . . . 10  |-  2  e.  NN
12 2nn0 10238 . . . . . . . . . . 11  |-  2  e.  NN0
13 nn0expcl 11395 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  2  e.  NN0 )  -> 
( K ^ 2 )  e.  NN0 )
1412, 13mpan2 653 . . . . . . . . . 10  |-  ( K  e.  NN0  ->  ( K ^ 2 )  e. 
NN0 )
15 nnexpcl 11394 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( 2  e.  NN  /\  ( K ^ 2 )  e.  NN0 )  -> 
( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  e.  NN )
1611, 14, 15sylancr 645 . . . . . . . . 9  |-  ( K  e.  NN0  ->  ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  e.  NN )
17 nnnn0 10228 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( M  e.  NN  ->  M  e.  NN0 )
18 nn0addcl 10255 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( M  e.  NN0  /\  K  e.  NN0 )  -> 
( M  +  K
)  e.  NN0 )
1918ancoms 440 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN0 )  -> 
( M  +  K
)  e.  NN0 )
2017, 19sylan2 461 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  ->  ( M  +  K
)  e.  NN0 )
21 nnexpcl 11394 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( M  e.  NN  /\  ( M  +  K
)  e.  NN0 )  ->  ( M ^ ( M  +  K )
)  e.  NN )
2220, 21sylan2 461 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( M  e.  NN  /\  ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN ) )  ->  ( M ^ ( M  +  K ) )  e.  NN )
2322anabss7 795 . . . . . . . . 9  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  ->  ( M ^ ( M  +  K )
)  e.  NN )
24 nnmulcl 10023 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  e.  NN  /\  ( M ^ ( M  +  K ) )  e.  NN )  ->  (
( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  e.  NN )
2516, 23, 24syl2an 464 . . . . . . . 8  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN ) )  ->  ( (
2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  e.  NN )
2625anabss5 790 . . . . . . 7  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  ->  ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  e.  NN )
2726nnred 10015 . . . . . 6  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  ->  ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  e.  RR )
28 faccl 11576 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN0  ->  ( ! `
 N )  e.  NN )
2928nnred 10015 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN0  ->  ( ! `
 N )  e.  RR )
30 remulcl 9075 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  e.  RR  /\  ( ! `  N )  e.  RR )  ->  (
( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  x.  ( ! `  N ) )  e.  RR )
3127, 29, 30syl2an 464 . . . . 5  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) )  e.  RR )
32 2re 10069 . . . . . 6  |-  2  e.  RR
33 remulcl 9075 . . . . . 6  |-  ( ( 2  e.  RR  /\  ( ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) )  x.  ( ! `  N )
)  e.  RR )  ->  ( 2  x.  ( ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) )  x.  ( ! `  N )
) )  e.  RR )
3432, 31, 33sylancr 645 . . . . 5  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( 2  x.  ( ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) )  x.  ( ! `  N )
) )  e.  RR )
35 faclbnd4 11588 . . . . . . . 8  |-  ( ( N  e.  NN0  /\  K  e.  NN0  /\  M  e.  NN0 )  ->  (
( N ^ K
)  x.  ( M ^ N ) )  <_  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) )
3617, 35syl3an3 1219 . . . . . . 7  |-  ( ( N  e.  NN0  /\  K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  ->  (
( N ^ K
)  x.  ( M ^ N ) )  <_  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) )
37363coml 1160 . . . . . 6  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN  /\  N  e.  NN0 )  ->  (
( N ^ K
)  x.  ( M ^ N ) )  <_  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) )
38373expa 1153 . . . . 5  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( ( N ^ K )  x.  ( M ^ N
) )  <_  (
( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  x.  ( ! `  N ) ) )
39 1lt2 10142 . . . . . 6  |-  1  <  2
40 nnmulcl 10023 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  e.  NN  /\  ( ! `  N )  e.  NN )  ->  (
( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  x.  ( ! `  N ) )  e.  NN )
4126, 28, 40syl2an 464 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) )  e.  NN )
4241nngt0d 10043 . . . . . . 7  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  0  <  (
( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  x.  ( ! `  N ) ) )
43 ltmulgt12 9871 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) )  x.  ( ! `  N )
)  e.  RR  /\  2  e.  RR  /\  0  <  ( ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) )  x.  ( ! `  N )
) )  ->  (
1  <  2  <->  ( (
( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) )  <  (
2  x.  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) ) ) )
4432, 43mp3an2 1267 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) )  x.  ( ! `  N )
)  e.  RR  /\  0  <  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) )  -> 
( 1  <  2  <->  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  x.  ( ! `  N ) )  < 
( 2  x.  (
( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  x.  ( ! `  N ) ) ) ) )
4531, 42, 44syl2anc 643 . . . . . 6  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( 1  <  2  <->  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) )  <  (
2  x.  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) ) ) )
4639, 45mpbii 203 . . . . 5  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) )  <  (
2  x.  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) ) )
4710, 31, 34, 38, 46lelttrd 9228 . . . 4  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( ( N ^ K )  x.  ( M ^ N
) )  <  (
2  x.  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) ) )
4826nncnd 10016 . . . . 5  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  ->  ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  e.  CC )
4928nncnd 10016 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN0  ->  ( ! `
 N )  e.  CC )
50 2cn 10070 . . . . . 6  |-  2  e.  CC
51 mulass 9078 . . . . . 6  |-  ( ( 2  e.  CC  /\  ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  e.  CC  /\  ( ! `  N )  e.  CC )  ->  (
( 2  x.  (
( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) ) )  x.  ( ! `  N ) )  =  ( 2  x.  (
( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  x.  ( ! `  N ) ) ) )
5250, 51mp3an1 1266 . . . . 5  |-  ( ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  e.  CC  /\  ( ! `  N )  e.  CC )  ->  (
( 2  x.  (
( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) ) )  x.  ( ! `  N ) )  =  ( 2  x.  (
( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K ) ) )  x.  ( ! `  N ) ) ) )
5348, 49, 52syl2an 464 . . . 4  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( ( 2  x.  ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) ) )  x.  ( ! `  N
) )  =  ( 2  x.  ( ( ( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) ) )
5447, 53breqtrrd 4238 . . 3  |-  ( ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  /\  N  e.  NN0 )  ->  ( ( N ^ K )  x.  ( M ^ N
) )  <  (
( 2  x.  (
( 2 ^ ( K ^ 2 ) )  x.  ( M ^
( M  +  K
) ) ) )  x.  ( ! `  N ) ) )
55543impa 1148 . 2  |-  ( ( K  e.  NN0  /\  M  e.  NN  /\  N  e.  NN0 )  ->  (
( N ^ K
)  x.  ( M ^ N ) )  <  ( ( 2  x.  ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) )
56553comr 1161 1  |-  ( ( N  e.  NN0  /\  K  e.  NN0  /\  M  e.  NN )  ->  (
( N ^ K
)  x.  ( M ^ N ) )  <  ( ( 2  x.  ( ( 2 ^ ( K ^
2 ) )  x.  ( M ^ ( M  +  K )
) ) )  x.  ( ! `  N
) ) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:    -> wi 4    <-> wb 177    /\ wa 359    /\ w3a 936    = wceq 1652    e. wcel 1725   class class class wbr 4212   ` cfv 5454  (class class class)co 6081   CCcc 8988   RRcr 8989   0cc0 8990   1c1 8991    + caddc 8993    x. cmul 8995    < clt 9120    <_ cle 9121   NNcn 10000   2c2 10049   NN0cn0 10221   ^cexp 11382   !cfa 11566
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1555  ax-5 1566  ax-17 1626  ax-9 1666  ax-8 1687  ax-13 1727  ax-14 1729  ax-6 1744  ax-7 1749  ax-11 1761  ax-12 1950  ax-ext 2417  ax-sep 4330  ax-nul 4338  ax-pow 4377  ax-pr 4403  ax-un 4701  ax-cnex 9046  ax-resscn 9047  ax-1cn 9048  ax-icn 9049  ax-addcl 9050  ax-addrcl 9051  ax-mulcl 9052  ax-mulrcl 9053  ax-mulcom 9054  ax-addass 9055  ax-mulass 9056  ax-distr 9057  ax-i2m1 9058  ax-1ne0 9059  ax-1rid 9060  ax-rnegex 9061  ax-rrecex 9062  ax-cnre 9063  ax-pre-lttri 9064  ax-pre-lttrn 9065  ax-pre-ltadd 9066  ax-pre-mulgt0 9067
This theorem depends on definitions:  df-bi 178  df-or 360  df-an 361  df-3or 937  df-3an 938  df-tru 1328  df-ex 1551  df-nf 1554  df-sb 1659  df-eu 2285  df-mo 2286  df-clab 2423  df-cleq 2429  df-clel 2432  df-nfc 2561  df-ne 2601  df-nel 2602  df-ral 2710  df-rex 2711  df-reu 2712  df-rmo 2713  df-rab 2714  df-v 2958  df-sbc 3162  df-csb 3252  df-dif 3323  df-un 3325  df-in 3327  df-ss 3334  df-pss 3336  df-nul 3629  df-if 3740  df-pw 3801  df-sn 3820  df-pr 3821  df-tp 3822  df-op 3823  df-uni 4016  df-iun 4095  df-br 4213  df-opab 4267  df-mpt 4268  df-tr 4303  df-eprel 4494  df-id 4498  df-po 4503  df-so 4504  df-fr 4541  df-we 4543  df-ord 4584  df-on 4585  df-lim 4586  df-suc 4587  df-om 4846  df-xp 4884  df-rel 4885  df-cnv 4886  df-co 4887  df-dm 4888  df-rn 4889  df-res 4890  df-ima 4891  df-iota 5418  df-fun 5456  df-fn 5457  df-f 5458  df-f1 5459  df-fo 5460  df-f1o 5461  df-fv 5462  df-ov 6084  df-oprab 6085  df-mpt2 6086  df-2nd 6350  df-riota 6549  df-recs 6633  df-rdg 6668  df-er 6905  df-en 7110  df-dom 7111  df-sdom 7112  df-pnf 9122  df-mnf 9123  df-xr 9124  df-ltxr 9125  df-le 9126  df-sub 9293  df-neg 9294  df-div 9678  df-nn 10001  df-2 10058  df-n0 10222  df-z 10283  df-uz 10489  df-rp 10613  df-seq 11324  df-exp 11383  df-fac 11567
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