Metamath Proof Explorer


Theorem logfacubnd

Description: A simple upper bound on the logarithm of a factorial. (Contributed by Mario Carneiro, 16-Apr-2016)

Ref Expression
Assertion logfacubnd ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰ค ( ๐ด ยท ( log โ€˜ ๐ด ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rpre โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„+ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
2 flge1nn โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„• )
3 1 2 sylan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„• )
4 3 nnnn0d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„•0 )
5 4 faccld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„• )
6 5 nnrpd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„+ )
7 6 relogcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆˆ โ„ )
8 1 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ )
9 reflcl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
10 8 9 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
11 3 nnrpd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„+ )
12 11 relogcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
13 10 12 remulcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ยท ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆˆ โ„ )
14 relogcl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„+ โ†’ ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
15 14 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
16 8 15 remulcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ๐ด ยท ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
17 facubnd โŠข ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
18 4 17 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
19 3 4 nnexpcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„• )
20 19 nnrpd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„+ )
21 6 20 logled โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ†” ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰ค ( log โ€˜ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) ) )
22 18 21 mpbid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰ค ( log โ€˜ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
23 3 nnzd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ค )
24 relogexp โŠข ( ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„+ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( log โ€˜ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ยท ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
25 11 23 24 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ยท ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
26 22 25 breqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰ค ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ยท ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
27 flle โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ‰ค ๐ด )
28 8 27 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ‰ค ๐ด )
29 simpl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
30 11 29 logled โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ‰ค ๐ด โ†” ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( log โ€˜ ๐ด ) ) )
31 28 30 mpbid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( log โ€˜ ๐ด ) )
32 11 rprege0d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
33 log1 โŠข ( log โ€˜ 1 ) = 0
34 3 nnge1d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ 1 โ‰ค ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) )
35 1rp โŠข 1 โˆˆ โ„+
36 logleb โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„+ โˆง ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„+ ) โ†’ ( 1 โ‰ค ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†” ( log โ€˜ 1 ) โ‰ค ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
37 35 11 36 sylancr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( 1 โ‰ค ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ†” ( log โ€˜ 1 ) โ‰ค ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
38 34 37 mpbid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ 1 ) โ‰ค ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
39 33 38 eqbrtrrid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ 0 โ‰ค ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) )
40 12 39 jca โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
41 lemul12a โŠข ( ( ( ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆง ๐ด โˆˆ โ„ ) โˆง ( ( ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ ) ) โ†’ ( ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ‰ค ๐ด โˆง ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( log โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ยท ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰ค ( ๐ด ยท ( log โ€˜ ๐ด ) ) ) )
42 32 8 40 15 41 syl22anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) โ‰ค ๐ด โˆง ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( log โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ยท ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰ค ( ๐ด ยท ( log โ€˜ ๐ด ) ) ) )
43 28 31 42 mp2and โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ยท ( log โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰ค ( ๐ด ยท ( log โ€˜ ๐ด ) ) )
44 7 13 16 26 43 letrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง 1 โ‰ค ๐ด ) โ†’ ( log โ€˜ ( ! โ€˜ ( โŒŠ โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰ค ( ๐ด ยท ( log โ€˜ ๐ด ) ) )