Metamath Proof Explorer


Theorem birthday

Description: The Birthday Problem. There is a more than even chance that out of 23 people in a room, at least two of them have the same birthday. Mathematically, this is asserting that for K = 2 3 and N = 3 6 5 , fewer than half of the set of all functions from 1 ... K to 1 ... N are injective. This is Metamath 100 proof #93. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Apr-2015)

Ref Expression
Hypotheses birthday.s โŠข ๐‘† = { ๐‘“ โˆฃ ๐‘“ : ( 1 ... ๐พ ) โŸถ ( 1 ... ๐‘ ) }
birthday.t โŠข ๐‘‡ = { ๐‘“ โˆฃ ๐‘“ : ( 1 ... ๐พ ) โ€“1-1โ†’ ( 1 ... ๐‘ ) }
birthday.k โŠข ๐พ = 2 3
birthday.n โŠข ๐‘ = 3 6 5
Assertion birthday ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) ) < ( 1 / 2 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 birthday.s โŠข ๐‘† = { ๐‘“ โˆฃ ๐‘“ : ( 1 ... ๐พ ) โŸถ ( 1 ... ๐‘ ) }
2 birthday.t โŠข ๐‘‡ = { ๐‘“ โˆฃ ๐‘“ : ( 1 ... ๐พ ) โ€“1-1โ†’ ( 1 ... ๐‘ ) }
3 birthday.k โŠข ๐พ = 2 3
4 birthday.n โŠข ๐‘ = 3 6 5
5 2nn0 โŠข 2 โˆˆ โ„•0
6 3nn0 โŠข 3 โˆˆ โ„•0
7 5 6 deccl โŠข 2 3 โˆˆ โ„•0
8 3 7 eqeltri โŠข ๐พ โˆˆ โ„•0
9 6nn0 โŠข 6 โˆˆ โ„•0
10 6 9 deccl โŠข 3 6 โˆˆ โ„•0
11 5nn โŠข 5 โˆˆ โ„•
12 10 11 decnncl โŠข 3 6 5 โˆˆ โ„•
13 4 12 eqeltri โŠข ๐‘ โˆˆ โ„•
14 1 2 birthdaylem3 โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) ) โ‰ค ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) )
15 8 13 14 mp2an โŠข ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) ) โ‰ค ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) )
16 log2ub โŠข ( log โ€˜ 2 ) < ( 2 5 3 / 3 6 5 )
17 8 nn0cni โŠข ๐พ โˆˆ โ„‚
18 17 sqvali โŠข ( ๐พ โ†‘ 2 ) = ( ๐พ ยท ๐พ )
19 17 mulridi โŠข ( ๐พ ยท 1 ) = ๐พ
20 19 eqcomi โŠข ๐พ = ( ๐พ ยท 1 )
21 18 20 oveq12i โŠข ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) = ( ( ๐พ ยท ๐พ ) โˆ’ ( ๐พ ยท 1 ) )
22 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
23 17 17 22 subdii โŠข ( ๐พ ยท ( ๐พ โˆ’ 1 ) ) = ( ( ๐พ ยท ๐พ ) โˆ’ ( ๐พ ยท 1 ) )
24 21 23 eqtr4i โŠข ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) = ( ๐พ ยท ( ๐พ โˆ’ 1 ) )
25 24 oveq1i โŠข ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) = ( ( ๐พ ยท ( ๐พ โˆ’ 1 ) ) / 2 )
26 17 22 subcli โŠข ( ๐พ โˆ’ 1 ) โˆˆ โ„‚
27 2cn โŠข 2 โˆˆ โ„‚
28 2ne0 โŠข 2 โ‰  0
29 17 26 27 28 divassi โŠข ( ( ๐พ ยท ( ๐พ โˆ’ 1 ) ) / 2 ) = ( ๐พ ยท ( ( ๐พ โˆ’ 1 ) / 2 ) )
30 1nn0 โŠข 1 โˆˆ โ„•0
31 5 5 deccl โŠข 2 2 โˆˆ โ„•0
32 31 nn0cni โŠข 2 2 โˆˆ โ„‚
33 2p1e3 โŠข ( 2 + 1 ) = 3
34 eqid โŠข 2 2 = 2 2
35 5 5 33 34 decsuc โŠข ( 2 2 + 1 ) = 2 3
36 3 35 eqtr4i โŠข ๐พ = ( 2 2 + 1 )
37 32 22 36 mvrraddi โŠข ( ๐พ โˆ’ 1 ) = 2 2
38 37 oveq1i โŠข ( ( ๐พ โˆ’ 1 ) / 2 ) = ( 2 2 / 2 )
39 5 11multnc โŠข ( 2 ยท 1 1 ) = 2 2
40 30 30 deccl โŠข 1 1 โˆˆ โ„•0
41 40 nn0cni โŠข 1 1 โˆˆ โ„‚
42 32 27 41 28 divmuli โŠข ( ( 2 2 / 2 ) = 1 1 โ†” ( 2 ยท 1 1 ) = 2 2 )
43 39 42 mpbir โŠข ( 2 2 / 2 ) = 1 1
44 38 43 eqtri โŠข ( ( ๐พ โˆ’ 1 ) / 2 ) = 1 1
45 19 3 eqtri โŠข ( ๐พ ยท 1 ) = 2 3
46 3p2e5 โŠข ( 3 + 2 ) = 5
47 5 6 5 45 46 decaddi โŠข ( ( ๐พ ยท 1 ) + 2 ) = 2 5
48 8 30 30 44 6 5 47 45 decmul2c โŠข ( ๐พ ยท ( ( ๐พ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) = 2 5 3
49 25 29 48 3eqtri โŠข ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) = 2 5 3
50 49 4 oveq12i โŠข ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) = ( 2 5 3 / 3 6 5 )
51 16 50 breqtrri โŠข ( log โ€˜ 2 ) < ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ )
52 2rp โŠข 2 โˆˆ โ„+
53 relogcl โŠข ( 2 โˆˆ โ„+ โ†’ ( log โ€˜ 2 ) โˆˆ โ„ )
54 52 53 ax-mp โŠข ( log โ€˜ 2 ) โˆˆ โ„
55 5nn0 โŠข 5 โˆˆ โ„•0
56 5 55 deccl โŠข 2 5 โˆˆ โ„•0
57 56 6 deccl โŠข 2 5 3 โˆˆ โ„•0
58 49 57 eqeltri โŠข ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) โˆˆ โ„•0
59 58 nn0rei โŠข ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) โˆˆ โ„
60 nndivre โŠข ( ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) โˆˆ โ„ )
61 59 13 60 mp2an โŠข ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) โˆˆ โ„
62 54 61 ltnegi โŠข ( ( log โ€˜ 2 ) < ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) โ†” - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) < - ( log โ€˜ 2 ) )
63 51 62 mpbi โŠข - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) < - ( log โ€˜ 2 )
64 61 renegcli โŠข - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) โˆˆ โ„
65 54 renegcli โŠข - ( log โ€˜ 2 ) โˆˆ โ„
66 eflt โŠข ( ( - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) โˆˆ โ„ โˆง - ( log โ€˜ 2 ) โˆˆ โ„ ) โ†’ ( - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) < - ( log โ€˜ 2 ) โ†” ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) < ( exp โ€˜ - ( log โ€˜ 2 ) ) ) )
67 64 65 66 mp2an โŠข ( - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) < - ( log โ€˜ 2 ) โ†” ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) < ( exp โ€˜ - ( log โ€˜ 2 ) ) )
68 63 67 mpbi โŠข ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) < ( exp โ€˜ - ( log โ€˜ 2 ) )
69 54 recni โŠข ( log โ€˜ 2 ) โˆˆ โ„‚
70 efneg โŠข ( ( log โ€˜ 2 ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( exp โ€˜ - ( log โ€˜ 2 ) ) = ( 1 / ( exp โ€˜ ( log โ€˜ 2 ) ) ) )
71 69 70 ax-mp โŠข ( exp โ€˜ - ( log โ€˜ 2 ) ) = ( 1 / ( exp โ€˜ ( log โ€˜ 2 ) ) )
72 reeflog โŠข ( 2 โˆˆ โ„+ โ†’ ( exp โ€˜ ( log โ€˜ 2 ) ) = 2 )
73 52 72 ax-mp โŠข ( exp โ€˜ ( log โ€˜ 2 ) ) = 2
74 73 oveq2i โŠข ( 1 / ( exp โ€˜ ( log โ€˜ 2 ) ) ) = ( 1 / 2 )
75 71 74 eqtri โŠข ( exp โ€˜ - ( log โ€˜ 2 ) ) = ( 1 / 2 )
76 68 75 breqtri โŠข ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) < ( 1 / 2 )
77 1 2 birthdaylem1 โŠข ( ๐‘‡ โŠ† ๐‘† โˆง ๐‘† โˆˆ Fin โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘† โ‰  โˆ… ) )
78 77 simp2i โŠข ๐‘† โˆˆ Fin
79 77 simp1i โŠข ๐‘‡ โŠ† ๐‘†
80 ssfi โŠข ( ( ๐‘† โˆˆ Fin โˆง ๐‘‡ โŠ† ๐‘† ) โ†’ ๐‘‡ โˆˆ Fin )
81 78 79 80 mp2an โŠข ๐‘‡ โˆˆ Fin
82 hashcl โŠข ( ๐‘‡ โˆˆ Fin โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„•0 )
83 81 82 ax-mp โŠข ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„•0
84 83 nn0rei โŠข ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„
85 77 simp3i โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘† โ‰  โˆ… )
86 13 85 ax-mp โŠข ๐‘† โ‰  โˆ…
87 hashnncl โŠข ( ๐‘† โˆˆ Fin โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) โˆˆ โ„• โ†” ๐‘† โ‰  โˆ… ) )
88 78 87 ax-mp โŠข ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) โˆˆ โ„• โ†” ๐‘† โ‰  โˆ… )
89 86 88 mpbir โŠข ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) โˆˆ โ„•
90 nndivre โŠข ( ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„ โˆง ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) ) โˆˆ โ„ )
91 84 89 90 mp2an โŠข ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) ) โˆˆ โ„
92 reefcl โŠข ( - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) โˆˆ โ„ โ†’ ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) โˆˆ โ„ )
93 64 92 ax-mp โŠข ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) โˆˆ โ„
94 halfre โŠข ( 1 / 2 ) โˆˆ โ„
95 91 93 94 lelttri โŠข ( ( ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) ) โ‰ค ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) โˆง ( exp โ€˜ - ( ( ( ( ๐พ โ†‘ 2 ) โˆ’ ๐พ ) / 2 ) / ๐‘ ) ) < ( 1 / 2 ) ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) ) < ( 1 / 2 ) )
96 15 76 95 mp2an โŠข ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‡ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘† ) ) < ( 1 / 2 )