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Theorem lcmineqlem6

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, 10-May-2024)

Ref Expression
Hypotheses lcmineqlem6.1 ⊢ F = ∫ 0 1 x M − 1 ⁢ 1 − x N − M dx
lcmineqlem6.2 ⊢ φ → N ∈ ℕ
lcmineqlem6.3 ⊢ φ → M ∈ ℕ
lcmineqlem6.4 ⊢ φ → M ≤ N
Assertion lcmineqlem6 ⊢ φ → lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ F ∈ ℤ

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lcmineqlem6.1 ⊢ F = ∫ 0 1 x M − 1 ⁢ 1 − x N − M dx
2 lcmineqlem6.2 ⊢ φ → N ∈ ℕ
3 lcmineqlem6.3 ⊢ φ → M ∈ ℕ
4 lcmineqlem6.4 ⊢ φ → M ≤ N
5 1 2 3 4 lcmineqlem3 ⊢ φ → F = ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ 1 M + k
6 5 oveq2d ⊢ φ → lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ F = lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ 1 M + k
7 fzfid ⊢ φ → 0 … N − M ∈ Fin
8 fz1ssnn ⊢ 1 … N ⊆ ℕ
9 fzfi ⊢ 1 … N ∈ Fin
10 8 9 pm3.2i ⊢ 1 … N ⊆ ℕ ∧ 1 … N ∈ Fin
11 lcmfnncl ⊢ 1 … N ⊆ ℕ ∧ 1 … N ∈ Fin → lcm _ ⁡ 1 … N ∈ ℕ
12 10 11 ax-mp ⊢ lcm _ ⁡ 1 … N ∈ ℕ
13 12 nncni ⊢ lcm _ ⁡ 1 … N ∈ ℂ
14 13 a1i ⊢ φ → lcm _ ⁡ 1 … N ∈ ℂ
15 elfzelz ⊢ k ∈ 0 … N − M → k ∈ ℤ
16 m1expcl ⊢ k ∈ ℤ → − 1 k ∈ ℤ
17 15 16 syl ⊢ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ∈ ℤ
18 17 zcnd ⊢ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ∈ ℂ
19 18 adantl ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ∈ ℂ
20 bccl2 ⊢ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ∈ ℕ
21 20 nncnd ⊢ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ∈ ℂ
22 21 adantl ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ∈ ℂ
23 19 22 mulcld ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ⁢ ( N − M k) ∈ ℂ
24 3 nncnd ⊢ φ → M ∈ ℂ
25 24 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → M ∈ ℂ
26 15 zcnd ⊢ k ∈ 0 … N − M → k ∈ ℂ
27 26 adantl ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → k ∈ ℂ
28 25 27 addcld ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → M + k ∈ ℂ
29 elfznn0 ⊢ k ∈ 0 … N − M → k ∈ ℕ 0
30 nnnn0addcl ⊢ M ∈ ℕ ∧ k ∈ ℕ 0 → M + k ∈ ℕ
31 29 30 sylan2 ⊢ M ∈ ℕ ∧ k ∈ 0 … N − M → M + k ∈ ℕ
32 3 31 sylan ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → M + k ∈ ℕ
33 32 nnne0d ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → M + k ≠ 0
34 28 33 reccld ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → 1 M + k ∈ ℂ
35 23 34 mulcld ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ 1 M + k ∈ ℂ
36 7 14 35 fsummulc2 ⊢ φ → lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ 1 M + k = ∑ k = 0 N − M lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ 1 M + k
37 6 36 eqtrd ⊢ φ → lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ F = ∑ k = 0 N − M lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ 1 M + k
38 13 a1i ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → lcm _ ⁡ 1 … N ∈ ℂ
39 38 23 28 33 lcmineqlem5 ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ 1 M + k = − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ lcm _ ⁡ 1 … N M + k
40 39 sumeq2dv ⊢ φ → ∑ k = 0 N − M lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ 1 M + k = ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ lcm _ ⁡ 1 … N M + k
41 37 40 eqtrd ⊢ φ → lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ F = ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ lcm _ ⁡ 1 … N M + k
42 17 adantl ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ∈ ℤ
43 20 nnzd ⊢ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ∈ ℤ
44 43 adantl ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → ( N − M k) ∈ ℤ
45 42 44 zmulcld ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ⁢ ( N − M k) ∈ ℤ
46 2 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → N ∈ ℕ
47 3 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → M ∈ ℕ
48 4 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → M ≤ N
49 simpr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → k ∈ 0 … N − M
50 46 47 48 49 lcmineqlem4 ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → lcm _ ⁡ 1 … N M + k ∈ ℤ
51 45 50 zmulcld ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N − M → − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ lcm _ ⁡ 1 … N M + k ∈ ℤ
52 7 51 fsumzcl ⊢ φ → ∑ k = 0 N − M − 1 k ⁢ ( N − M k) ⁢ lcm _ ⁡ 1 … N M + k ∈ ℤ
53 41 52 eqeltrd ⊢ φ → lcm _ ⁡ 1 … N ⁢ F ∈ ℤ