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Theorem wallispi2lem2

Description: Two expressions are proven to be equal, and this is used to complete the proof of the second version of Wallis' formula for π . (Contributed by Glauco Siliprandi, 30-Jun-2017)

Ref Expression
Assertion wallispi2lem2 N seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 N = 2 4 N N ! 4 2 N ! 2

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fveq2 x = 1 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 x = seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1
2 oveq2 x = 1 4 x = 4 1
3 2 oveq2d x = 1 2 4 x = 2 4 1
4 fveq2 x = 1 x ! = 1 !
5 4 oveq1d x = 1 x ! 4 = 1 ! 4
6 3 5 oveq12d x = 1 2 4 x x ! 4 = 2 4 1 1 ! 4
7 oveq2 x = 1 2 x = 2 1
8 7 fveq2d x = 1 2 x ! = 2 1 !
9 8 oveq1d x = 1 2 x ! 2 = 2 1 ! 2
10 6 9 oveq12d x = 1 2 4 x x ! 4 2 x ! 2 = 2 4 1 1 ! 4 2 1 ! 2
11 1 10 eqeq12d x = 1 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 x = 2 4 x x ! 4 2 x ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1 = 2 4 1 1 ! 4 2 1 ! 2
12 fveq2 x = y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 x = seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y
13 oveq2 x = y 4 x = 4 y
14 13 oveq2d x = y 2 4 x = 2 4 y
15 fveq2 x = y x ! = y !
16 15 oveq1d x = y x ! 4 = y ! 4
17 14 16 oveq12d x = y 2 4 x x ! 4 = 2 4 y y ! 4
18 oveq2 x = y 2 x = 2 y
19 18 fveq2d x = y 2 x ! = 2 y !
20 19 oveq1d x = y 2 x ! 2 = 2 y ! 2
21 17 20 oveq12d x = y 2 4 x x ! 4 2 x ! 2 = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2
22 12 21 eqeq12d x = y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 x = 2 4 x x ! 4 2 x ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2
23 fveq2 x = y + 1 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 x = seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1
24 oveq2 x = y + 1 4 x = 4 y + 1
25 24 oveq2d x = y + 1 2 4 x = 2 4 y + 1
26 fveq2 x = y + 1 x ! = y + 1 !
27 26 oveq1d x = y + 1 x ! 4 = y + 1 ! 4
28 25 27 oveq12d x = y + 1 2 4 x x ! 4 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4
29 oveq2 x = y + 1 2 x = 2 y + 1
30 29 fveq2d x = y + 1 2 x ! = 2 y + 1 !
31 30 oveq1d x = y + 1 2 x ! 2 = 2 y + 1 ! 2
32 28 31 oveq12d x = y + 1 2 4 x x ! 4 2 x ! 2 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4 2 y + 1 ! 2
33 23 32 eqeq12d x = y + 1 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 x = 2 4 x x ! 4 2 x ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4 2 y + 1 ! 2
34 fveq2 x = N seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 x = seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 N
35 oveq2 x = N 4 x = 4 N
36 35 oveq2d x = N 2 4 x = 2 4 N
37 fveq2 x = N x ! = N !
38 37 oveq1d x = N x ! 4 = N ! 4
39 36 38 oveq12d x = N 2 4 x x ! 4 = 2 4 N N ! 4
40 oveq2 x = N 2 x = 2 N
41 40 fveq2d x = N 2 x ! = 2 N !
42 41 oveq1d x = N 2 x ! 2 = 2 N ! 2
43 39 42 oveq12d x = N 2 4 x x ! 4 2 x ! 2 = 2 4 N N ! 4 2 N ! 2
44 34 43 eqeq12d x = N seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 x = 2 4 x x ! 4 2 x ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 N = 2 4 N N ! 4 2 N ! 2
45 1z 1
46 seq1 1 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1 = k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1
47 45 46 ax-mp seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1 = k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1
48 1nn 1
49 oveq2 k = 1 2 k = 2 1
50 49 oveq1d k = 1 2 k 4 = 2 1 4
51 49 oveq1d k = 1 2 k 1 = 2 1 1
52 49 51 oveq12d k = 1 2 k 2 k 1 = 2 1 2 1 1
53 52 oveq1d k = 1 2 k 2 k 1 2 = 2 1 2 1 1 2
54 50 53 oveq12d k = 1 2 k 4 2 k 2 k 1 2 = 2 1 4 2 1 2 1 1 2
55 eqid k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 = k 2 k 4 2 k 2 k 1 2
56 ovex 2 1 4 2 1 2 1 1 2 V
57 54 55 56 fvmpt 1 k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1 = 2 1 4 2 1 2 1 1 2
58 48 57 ax-mp k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1 = 2 1 4 2 1 2 1 1 2
59 2t1e2 2 1 = 2
60 59 oveq1i 2 1 4 = 2 4
61 2exp4 2 4 = 16
62 1nn0 1 0
63 6nn0 6 0
64 0nn0 0 0
65 1t1e1 1 1 = 1
66 65 oveq1i 1 1 + 0 = 1 + 0
67 1p0e1 1 + 0 = 1
68 66 67 eqtri 1 1 + 0 = 1
69 6cn 6
70 69 mulridi 6 1 = 6
71 63 dec0h 6 = 06
72 70 71 eqtri 6 1 = 06
73 62 62 63 61 63 64 68 72 decmul1c 2 4 1 = 16
74 61 73 eqtr4i 2 4 = 2 4 1
75 2nn0 2 0
76 2t2e4 2 2 = 4
77 sq1 1 2 = 1
78 62 75 76 77 65 numexp2x 1 4 = 1
79 78 eqcomi 1 = 1 4
80 79 oveq2i 2 4 1 = 2 4 1 4
81 4cn 4
82 81 mulridi 4 1 = 4
83 82 eqcomi 4 = 4 1
84 83 oveq2i 2 4 = 2 4 1
85 fac1 1 ! = 1
86 85 eqcomi 1 = 1 !
87 86 oveq1i 1 4 = 1 ! 4
88 84 87 oveq12i 2 4 1 4 = 2 4 1 1 ! 4
89 74 80 88 3eqtri 2 4 = 2 4 1 1 ! 4
90 60 89 eqtri 2 1 4 = 2 4 1 1 ! 4
91 59 oveq1i 2 1 1 = 2 1
92 2m1e1 2 1 = 1
93 91 92 eqtri 2 1 1 = 1
94 93 oveq2i 2 1 2 1 1 = 2 1 1
95 59 oveq1i 2 1 1 = 2 1
96 95 59 eqtri 2 1 1 = 2
97 59 fveq2i 2 1 ! = 2 !
98 fac2 2 ! = 2
99 97 98 eqtri 2 1 ! = 2
100 99 eqcomi 2 = 2 1 !
101 94 96 100 3eqtri 2 1 2 1 1 = 2 1 !
102 101 oveq1i 2 1 2 1 1 2 = 2 1 ! 2
103 90 102 oveq12i 2 1 4 2 1 2 1 1 2 = 2 4 1 1 ! 4 2 1 ! 2
104 47 58 103 3eqtri seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 1 = 2 4 1 1 ! 4 2 1 ! 2
105 elnnuz y y 1
106 105 birani y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 y 1
107 seqp1 y 1 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1
108 106 107 syl y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1
109 simpr y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2
110 109 oveq1d y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1
111 eqidd y k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 = k 2 k 4 2 k 2 k 1 2
112 oveq2 k = y + 1 2 k = 2 y + 1
113 112 oveq1d k = y + 1 2 k 4 = 2 y + 1 4
114 112 oveq1d k = y + 1 2 k 1 = 2 y + 1 1
115 112 114 oveq12d k = y + 1 2 k 2 k 1 = 2 y + 1 2 y + 1 1
116 115 oveq1d k = y + 1 2 k 2 k 1 2 = 2 y + 1 2 y + 1 1 2
117 113 116 oveq12d k = y + 1 2 k 4 2 k 2 k 1 2 = 2 y + 1 4 2 y + 1 2 y + 1 1 2
118 117 adantl y k = y + 1 2 k 4 2 k 2 k 1 2 = 2 y + 1 4 2 y + 1 2 y + 1 1 2
119 peano2nn y y + 1
120 2cnd y 2
121 nncn y y
122 1cnd y 1
123 121 122 addcld y y + 1
124 120 123 mulcld y 2 y + 1
125 4nn0 4 0
126 125 a1i y 4 0
127 124 126 expcld y 2 y + 1 4
128 124 122 subcld y 2 y + 1 1
129 124 128 mulcld y 2 y + 1 2 y + 1 1
130 129 sqcld y 2 y + 1 2 y + 1 1 2
131 2pos 0 < 2
132 131 a1i y 0 < 2
133 132 gt0ne0d y 2 0
134 119 nnne0d y y + 1 0
135 120 123 133 134 mulne0d y 2 y + 1 0
136 1red y 1
137 2re 2
138 137 a1i y 2
139 nnre y y
140 139 136 readdcld y y + 1
141 1lt2 1 < 2
142 141 a1i y 1 < 2
143 nnrp y y +
144 136 143 ltaddrp2d y 1 < y + 1
145 138 140 142 144 mulgt1d y 1 < 2 y + 1
146 136 145 gtned y 2 y + 1 1
147 124 122 146 subne0d y 2 y + 1 1 0
148 124 128 135 147 mulne0d y 2 y + 1 2 y + 1 1 0
149 2z 2
150 149 a1i y 2
151 129 148 150 expne0d y 2 y + 1 2 y + 1 1 2 0
152 127 130 151 divcld y 2 y + 1 4 2 y + 1 2 y + 1 1 2
153 111 118 119 152 fvmptd y k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = 2 y + 1 4 2 y + 1 2 y + 1 1 2
154 153 oveq2d y 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 2 y + 1 4 2 y + 1 2 y + 1 1 2
155 nnnn0 y y 0
156 126 155 nn0mulcld y 4 y 0
157 120 156 expcld y 2 4 y
158 faccl y 0 y !
159 nncn y ! y !
160 155 158 159 3syl y y !
161 160 126 expcld y y ! 4
162 157 161 mulcld y 2 4 y y ! 4
163 75 a1i y 2 0
164 163 155 nn0mulcld y 2 y 0
165 faccl 2 y 0 2 y !
166 nncn 2 y ! 2 y !
167 164 165 166 3syl y 2 y !
168 167 sqcld y 2 y ! 2
169 164 165 syl y 2 y !
170 169 nnne0d y 2 y ! 0
171 167 170 150 expne0d y 2 y ! 2 0
172 162 168 127 130 171 151 divmuldivd y 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 2 y + 1 4 2 y + 1 2 y + 1 1 2 = 2 4 y y ! 4 2 y + 1 4 2 y ! 2 2 y + 1 2 y + 1 1 2
173 120 123 126 mulexpd y 2 y + 1 4 = 2 4 y + 1 4
174 173 oveq2d y 2 4 y y ! 4 2 y + 1 4 = 2 4 y y ! 4 2 4 y + 1 4
175 120 126 expcld y 2 4
176 123 126 expcld y y + 1 4
177 157 161 175 176 mul4d y 2 4 y y ! 4 2 4 y + 1 4 = 2 4 y 2 4 y ! 4 y + 1 4
178 160 123 126 mulexpd y y ! y + 1 4 = y ! 4 y + 1 4
179 178 eqcomd y y ! 4 y + 1 4 = y ! y + 1 4
180 179 oveq2d y 2 4 y 2 4 y ! 4 y + 1 4 = 2 4 y 2 4 y ! y + 1 4
181 174 177 180 3eqtrd y 2 4 y y ! 4 2 y + 1 4 = 2 4 y 2 4 y ! y + 1 4
182 120 121 mulcld y 2 y
183 182 122 addcld y 2 y + 1
184 124 183 mulcomd y 2 y + 1 2 y + 1 = 2 y + 1 2 y + 1
185 184 oveq2d y 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 = 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1
186 120 121 122 adddid y 2 y + 1 = 2 y + 2 1
187 186 oveq1d y 2 y + 1 1 = 2 y + 2 1 - 1
188 59 120 eqeltrid y 2 1
189 182 188 122 addsubassd y 2 y + 2 1 - 1 = 2 y + 2 1 - 1
190 59 a1i y 2 1 = 2
191 190 oveq1d y 2 1 1 = 2 1
192 191 92 eqtrdi y 2 1 1 = 1
193 192 oveq2d y 2 y + 2 1 - 1 = 2 y + 1
194 187 189 193 3eqtrd y 2 y + 1 1 = 2 y + 1
195 194 oveq2d y 2 y + 1 2 y + 1 1 = 2 y + 1 2 y + 1
196 195 oveq2d y 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 1 = 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1
197 167 183 124 mulassd y 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 = 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1
198 185 196 197 3eqtr4d y 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 1 = 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1
199 198 oveq1d y 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 1 2 = 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 2
200 167 129 163 mulexpd y 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 1 2 = 2 y ! 2 2 y + 1 2 y + 1 1 2
201 df-2 2 = 1 + 1
202 201 a1i y 2 = 1 + 1
203 202 oveq2d y 2 y + 2 = 2 y + 1 + 1
204 182 122 122 addassd y 2 y + 1 + 1 = 2 y + 1 + 1
205 203 204 eqtr4d y 2 y + 2 = 2 y + 1 + 1
206 205 fveq2d y 2 y + 2 ! = 2 y + 1 + 1 !
207 62 a1i y 1 0
208 164 207 nn0addcld y 2 y + 1 0
209 facp1 2 y + 1 0 2 y + 1 + 1 ! = 2 y + 1 ! 2 y + 1 + 1
210 208 209 syl y 2 y + 1 + 1 ! = 2 y + 1 ! 2 y + 1 + 1
211 facp1 2 y 0 2 y + 1 ! = 2 y ! 2 y + 1
212 164 211 syl y 2 y + 1 ! = 2 y ! 2 y + 1
213 202 eqcomd y 1 + 1 = 2
214 213 oveq2d y 2 y + 1 + 1 = 2 y + 2
215 213 201 59 3eqtr4g y 2 = 2 1
216 215 oveq2d y 2 y + 2 = 2 y + 2 1
217 216 186 eqtr4d y 2 y + 2 = 2 y + 1
218 204 214 217 3eqtrd y 2 y + 1 + 1 = 2 y + 1
219 212 218 oveq12d y 2 y + 1 ! 2 y + 1 + 1 = 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1
220 206 210 219 3eqtrrd y 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 = 2 y + 2 !
221 220 oveq1d y 2 y ! 2 y + 1 2 y + 1 2 = 2 y + 2 ! 2
222 199 200 221 3eqtr3d y 2 y ! 2 2 y + 1 2 y + 1 1 2 = 2 y + 2 ! 2
223 181 222 oveq12d y 2 4 y y ! 4 2 y + 1 4 2 y ! 2 2 y + 1 2 y + 1 1 2 = 2 4 y 2 4 y ! y + 1 4 2 y + 2 ! 2
224 172 223 eqtrd y 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 2 y + 1 4 2 y + 1 2 y + 1 1 2 = 2 4 y 2 4 y ! y + 1 4 2 y + 2 ! 2
225 83 a1i y 4 = 4 1
226 225 oveq2d y 4 y + 4 = 4 y + 4 1
227 226 oveq2d y 2 4 y + 4 = 2 4 y + 4 1
228 120 126 156 expaddd y 2 4 y + 4 = 2 4 y 2 4
229 81 a1i y 4
230 229 121 122 adddid y 4 y + 1 = 4 y + 4 1
231 230 eqcomd y 4 y + 4 1 = 4 y + 1
232 231 oveq2d y 2 4 y + 4 1 = 2 4 y + 1
233 227 228 232 3eqtr3d y 2 4 y 2 4 = 2 4 y + 1
234 facp1 y 0 y + 1 ! = y ! y + 1
235 155 234 syl y y + 1 ! = y ! y + 1
236 235 eqcomd y y ! y + 1 = y + 1 !
237 236 oveq1d y y ! y + 1 4 = y + 1 ! 4
238 233 237 oveq12d y 2 4 y 2 4 y ! y + 1 4 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4
239 217 fveq2d y 2 y + 2 ! = 2 y + 1 !
240 239 oveq1d y 2 y + 2 ! 2 = 2 y + 1 ! 2
241 238 240 oveq12d y 2 4 y 2 4 y ! y + 1 4 2 y + 2 ! 2 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4 2 y + 1 ! 2
242 154 224 241 3eqtrd y 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4 2 y + 1 ! 2
243 242 adantr y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4 2 y + 1 ! 2
244 108 110 243 3eqtrd y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4 2 y + 1 ! 2
245 244 ex y seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y = 2 4 y y ! 4 2 y ! 2 seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 y + 1 = 2 4 y + 1 y + 1 ! 4 2 y + 1 ! 2
246 11 22 33 44 104 245 nnind N seq 1 × k 2 k 4 2 k 2 k 1 2 N = 2 4 N N ! 4 2 N ! 2