Metamath Proof Explorer


Theorem lcmineqlem2

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 lcmineqlem2.1 โŠข ๐น = โˆซ ( 0 [,] 1 ) ( ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ยท ( ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) โ†‘ ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ) d ๐‘ฅ
lcmineqlem2.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
lcmineqlem2.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„• )
lcmineqlem2.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โ‰ค ๐‘ )
Assertion lcmineqlem2 ( ๐œ‘ โ†’ ๐น = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ( ( ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) ) ยท โˆซ ( 0 [,] 1 ) ( ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ยท ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) d ๐‘ฅ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lcmineqlem2.1 โŠข ๐น = โˆซ ( 0 [,] 1 ) ( ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ยท ( ( 1 โˆ’ ๐‘ฅ ) โ†‘ ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ) d ๐‘ฅ
2 lcmineqlem2.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
3 lcmineqlem2.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„• )
4 lcmineqlem2.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โ‰ค ๐‘ )
5 1 2 3 4 lcmineqlem1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น = โˆซ ( 0 [,] 1 ) ( ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ยท ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ( ( ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) d ๐‘ฅ )
6 eqid โŠข ( 0 [,] 1 ) = ( 0 [,] 1 )
7 fzfid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) โˆˆ Fin )
8 0red โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 0 โˆˆ โ„ )
9 1red โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 1 โˆˆ โ„ )
10 unitsscn โŠข ( 0 [,] 1 ) โŠ† โ„‚
11 resmpt โŠข ( ( 0 [,] 1 ) โŠ† โ„‚ โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) = ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) )
12 10 11 ax-mp โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) = ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) )
13 nnm1nn0 โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) โˆˆ โ„•0 )
14 expcncf โŠข ( ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โˆˆ ( โ„‚ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
15 3 13 14 3syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โˆˆ ( โ„‚ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
16 rescncf โŠข ( ( 0 [,] 1 ) โŠ† โ„‚ โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โˆˆ ( โ„‚ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) ) )
17 10 16 ax-mp โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โˆˆ ( โ„‚ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
18 15 17 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
19 12 18 eqeltrrid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
20 elfznn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
21 neg1cn โŠข - 1 โˆˆ โ„‚
22 expcl โŠข ( ( - 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
23 21 22 mpan โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
24 20 23 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) โ†’ ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
25 24 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ) โ†’ ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
26 3 nnnn0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„•0 )
27 2 nnnn0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
28 nn0sub โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘€ โ‰ค ๐‘ โ†” ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) โˆˆ โ„•0 ) )
29 26 27 28 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ โ‰ค ๐‘ โ†” ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) โˆˆ โ„•0 ) )
30 4 29 mpbid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) โˆˆ โ„•0 )
31 nn0z โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค )
32 20 31 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค )
33 bccl โŠข ( ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) โˆˆ โ„•0 )
34 32 33 sylan2 โŠข ( ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) โˆˆ โ„•0 )
35 30 34 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) โˆˆ โ„•0 )
36 35 nn0cnd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
37 25 36 mulcld โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ) โ†’ ( ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) ) โˆˆ โ„‚ )
38 resmpt โŠข ( ( 0 [,] 1 ) โŠ† โ„‚ โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) = ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
39 10 38 ax-mp โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) = ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) )
40 expcncf โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ ( โ„‚ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
41 20 40 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ ( โ„‚ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
42 rescncf โŠข ( ( 0 [,] 1 ) โŠ† โ„‚ โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ ( โ„‚ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) ) )
43 10 42 ax-mp โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ ( โ„‚ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
44 41 43 syl โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†พ ( 0 [,] 1 ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
45 39 44 eqeltrrid โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
46 45 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 [,] 1 ) โ†ฆ ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) โˆˆ ( ( 0 [,] 1 ) โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
47 6 7 8 9 19 37 46 3factsumint โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆซ ( 0 [,] 1 ) ( ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ยท ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ( ( ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) d ๐‘ฅ = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ( ( ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) ) ยท โˆซ ( 0 [,] 1 ) ( ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ยท ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) d ๐‘ฅ ) )
48 5 47 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) ) ( ( ( - 1 โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( ( ๐‘ โˆ’ ๐‘€ ) C ๐‘˜ ) ) ยท โˆซ ( 0 [,] 1 ) ( ( ๐‘ฅ โ†‘ ( ๐‘€ โˆ’ 1 ) ) ยท ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘˜ ) ) d ๐‘ฅ ) )