Metamath Proof Explorer


Theorem stirlingr

Description: Stirling's approximation formula for n factorial: here convergence is expressed with respect to the standard topology on the reals. The main theorem stirling is proven for convergence in the topology of complex numbers. The variable R is used to denote convergence with respect to the standard topology on the reals. (Contributed by Glauco Siliprandi, 29-Jun-2017)

Ref Expression
Hypotheses stirlingr.1 โŠข ๐‘† = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
stirlingr.2 โŠข ๐‘… = ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( topGen โ€˜ ran (,) ) )
Assertion stirlingr ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) ๐‘… 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 stirlingr.1 โŠข ๐‘† = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
2 stirlingr.2 โŠข ๐‘… = ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( topGen โ€˜ ran (,) ) )
3 1 stirling โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ‡ 1
4 nnuz โŠข โ„• = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 )
5 1zzd โŠข ( โŠค โ†’ 1 โˆˆ โ„ค )
6 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) )
7 nnnn0 โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„•0 )
8 faccl โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„• )
9 nnre โŠข ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„• โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
10 7 8 9 3syl โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ! โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
11 2re โŠข 2 โˆˆ โ„
12 11 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 2 โˆˆ โ„ )
13 pire โŠข ฯ€ โˆˆ โ„
14 13 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ฯ€ โˆˆ โ„ )
15 12 14 remulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( 2 ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„ )
16 nnre โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„ )
17 15 16 remulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
18 0re โŠข 0 โˆˆ โ„
19 18 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 0 โˆˆ โ„ )
20 2pos โŠข 0 < 2
21 20 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 0 < 2 )
22 19 12 21 ltled โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค 2 )
23 pipos โŠข 0 < ฯ€
24 18 13 23 ltleii โŠข 0 โ‰ค ฯ€
25 24 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค ฯ€ )
26 12 14 22 25 mulge0d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค ( 2 ยท ฯ€ ) )
27 7 nn0ge0d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค ๐‘› )
28 15 16 26 27 mulge0d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) )
29 17 28 resqrtcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) โˆˆ โ„ )
30 ere โŠข e โˆˆ โ„
31 30 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ e โˆˆ โ„ )
32 epos โŠข 0 < e
33 18 32 gtneii โŠข e โ‰  0
34 33 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ e โ‰  0 )
35 16 31 34 redivcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘› / e ) โˆˆ โ„ )
36 35 7 reexpcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„ )
37 29 36 remulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) โˆˆ โ„ )
38 1 fvmpt2 โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) = ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
39 7 37 38 syl2anc โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) = ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
40 2rp โŠข 2 โˆˆ โ„+
41 40 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ 2 โˆˆ โ„+ )
42 pirp โŠข ฯ€ โˆˆ โ„+
43 42 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ฯ€ โˆˆ โ„+ )
44 41 43 rpmulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( 2 ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„+ )
45 nnrp โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„+ )
46 44 45 rpmulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) โˆˆ โ„+ )
47 46 rpsqrtcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) โˆˆ โ„+ )
48 epr โŠข e โˆˆ โ„+
49 48 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ e โˆˆ โ„+ )
50 45 49 rpdivcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘› / e ) โˆˆ โ„+ )
51 nnz โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„ค )
52 50 51 rpexpcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„+ )
53 47 52 rpmulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) โˆˆ โ„+ )
54 39 53 eqeltrd โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ โ„+ )
55 10 54 rerpdivcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) โˆˆ โ„ )
56 6 55 fmpti โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) : โ„• โŸถ โ„
57 56 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) : โ„• โŸถ โ„ )
58 2 4 5 57 climreeq โŠข ( โŠค โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) ๐‘… 1 โ†” ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ‡ 1 ) )
59 58 mptru โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) ๐‘… 1 โ†” ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ‡ 1 )
60 3 59 mpbir โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) ๐‘… 1