Metamath Proof Explorer


Theorem lcmineqlem1

Description: Part of lcm inequality lemma, this part eventually shows that F times the least common multiple of 1 to n is an integer. (Contributed by metakunt, 29-Apr-2024)

Ref Expression
Hypotheses lcmineqlem1.1 ⊢ F = ∫ 0 1 x M − 1 ⁢ 1 − x N − M dx
lcmineqlem1.2 ⊢ φ → N ∈ ℕ
lcmineqlem1.3 ⊢ φ → M ∈ ℕ
lcmineqlem1.4 ⊢ φ → M ≤ N
Assertion lcmineqlem1 ⊢ φ → F = ∫ 0 1 x M − 1 ⁢ ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k dx

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lcmineqlem1.1 ⊢ F = ∫ 0 1 x M − 1 ⁢ 1 − x N − M dx
2 lcmineqlem1.2 ⊢ φ → N ∈ ℕ
3 lcmineqlem1.3 ⊢ φ → M ∈ ℕ
4 lcmineqlem1.4 ⊢ φ → M ≤ N
5 elunitcn ⊢ x ∈ 0 1 → x ∈ ℂ
6 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
7 negsub ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ x ∈ ℂ → 1 + − x = 1 − x
8 6 7 mpan ⊢ x ∈ ℂ → 1 + − x = 1 − x
9 8 oveq1d ⊢ x ∈ ℂ → 1 + − x N − M = 1 − x N − M
10 9 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ → 1 + − x N − M = 1 − x N − M
11 negcl ⊢ x ∈ ℂ → − x ∈ ℂ
12 1cnd ⊢ φ → 1 ∈ ℂ
13 3 nnnn0d ⊢ φ → M ∈ ℕ 0
14 2 nnnn0d ⊢ φ → N ∈ ℕ 0
15 nn0sub ⊢ M ∈ ℕ 0 ∧ N ∈ ℕ 0 → M ≤ N ↔ N − M ∈ ℕ 0
16 13 14 15 syl2anc ⊢ φ → M ≤ N ↔ N − M ∈ ℕ 0
17 4 16 mpbid ⊢ φ → N − M ∈ ℕ 0
18 binom ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ − x ∈ ℂ ∧ N − M ∈ ℕ 0 → 1 + − x N − M = ∑ k = 0 N − M ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k
19 18 3com23 ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ N − M ∈ ℕ 0 ∧ − x ∈ ℂ → 1 + − x N − M = ∑ k = 0 N − M ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k
20 19 3expia ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ N − M ∈ ℕ 0 → − x ∈ ℂ → 1 + − x N − M = ∑ k = 0 N − M ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k
21 12 17 20 syl2anc ⊢ φ → − x ∈ ℂ → 1 + − x N − M = ∑ k = 0 N − M ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k
22 11 21 syl5 ⊢ φ → x ∈ ℂ → 1 + − x N − M = ∑ k = 0 N − M ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k
23 22 imp ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ → 1 + − x N − M = ∑ k = 0 N − M ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k
24 10 23 eqtr3d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ → 1 − x N − M = ∑ k = 0 N − M ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k
25 elfzelz ⊢ k ∈ 0 … N − M → k ∈ ℤ
26 2 nnzd ⊢ φ → N ∈ ℤ
27 3 nnzd ⊢ φ → M ∈ ℤ
28 zsubcl ⊢ N ∈ ℤ ∧ M ∈ ℤ → N − M ∈ ℤ
29 26 27 28 syl2anc ⊢ φ → N − M ∈ ℤ
30 zsubcl ⊢ N − M ∈ ℤ ∧ k ∈ ℤ → N - M - k ∈ ℤ
31 29 30 sylan ⊢ φ ∧ k ∈ ℤ → N - M - k ∈ ℤ
32 25 31 sylan2 ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → N - M - k ∈ ℤ
33 1exp ⊢ N - M - k ∈ ℤ → 1 N - M - k = 1
34 32 33 syl ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → 1 N - M - k = 1
35 34 3adant2 ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → 1 N - M - k = 1
36 35 oveq1d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → 1 N - M - k ⁢ − x k = 1 ⁢ − x k
37 11 3ad2ant2 ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → − x ∈ ℂ
38 elfznn0 ⊢ k ∈ 0 … N − M → k ∈ ℕ 0
39 38 3ad2ant3 ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → k ∈ ℕ 0
40 expcl ⊢ − x ∈ ℂ ∧ k ∈ ℕ 0 → − x k ∈ ℂ
41 37 39 40 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → − x k ∈ ℂ
42 41 mullidd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → 1 ⁢ − x k = − x k
43 36 42 eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → 1 N - M - k ⁢ − x k = − x k
44 mulm1 ⊢ x ∈ ℂ → -1 ⁢ x = − x
45 44 oveq1d ⊢ x ∈ ℂ → -1 ⁢ x k = − x k
46 45 3ad2ant2 ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → -1 ⁢ x k = − x k
47 43 46 eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → 1 N - M - k ⁢ − x k = -1 ⁢ x k
48 neg1cn ⊢ − 1 ∈ ℂ
49 mulexp ⊢ − 1 ∈ ℂ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ ℕ 0 → -1 ⁢ x k = − 1 k ⁢ x k
50 48 49 mp3an1 ⊢ x ∈ ℂ ∧ k ∈ ℕ 0 → -1 ⁢ x k = − 1 k ⁢ x k
51 38 50 sylan2 ⊢ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → -1 ⁢ x k = − 1 k ⁢ x k
52 51 3adant1 ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → -1 ⁢ x k = − 1 k ⁢ x k
53 47 52 eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → 1 N - M - k ⁢ − x k = − 1 k ⁢ x k
54 53 oveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k = ( N − M k) ⁢ − 1 k ⁢ x k
55 bccl ⊢ N − M ∈ ℕ 0 ∧ k ∈ ℤ → ( N − M k) ∈ ℕ 0
56 17 25 55 syl2an ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ∈ ℕ 0
57 56 3adant2 ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ∈ ℕ 0
58 57 nn0cnd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ∈ ℂ
59 expcl ⊢ − 1 ∈ ℂ ∧ k ∈ ℕ 0 → − 1 k ∈ ℂ
60 48 39 59 sylancr ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ∈ ℂ
61 expcl ⊢ x ∈ ℂ ∧ k ∈ ℕ 0 → x k ∈ ℂ
62 38 61 sylan2 ⊢ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → x k ∈ ℂ
63 62 3adant1 ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → x k ∈ ℂ
64 58 60 63 mulassd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ⁢ − 1 k ⁢ x k = ( N − M k) ⁢ − 1 k ⁢ x k
65 54 64 eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k = ( N − M k) ⁢ − 1 k ⁢ x k
66 58 60 mulcomd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ⁢ − 1 k = − 1 k ⁢ ( N − M k)
67 66 oveq1d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ⁢ − 1 k ⁢ x k = − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k
68 65 67 eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k = − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k
69 68 3expa ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k = − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k
70 69 sumeq2dv ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ → ∑ k = 0 N − M ( N − M k) ⁢ 1 N - M - k ⁢ − x k = ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k
71 24 70 eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ → 1 − x N − M = ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k
72 5 71 sylan2 ⊢ φ ∧ x ∈ 0 1 → 1 − x N − M = ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k
73 72 oveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ 0 1 → x M − 1 ⁢ 1 − x N − M = x M − 1 ⁢ ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k
74 73 itgeq2dv ⊢ φ → ∫ 0 1 x M − 1 ⁢ 1 − x N − M dx = ∫ 0 1 x M − 1 ⁢ ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k dx
75 1 74 eqtrid ⊢ φ → F = ∫ 0 1 x M − 1 ⁢ ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ x k dx