Metamath Proof Explorer


Theorem pcbc

Description: Calculate the prime count of a binomial coefficient. (Contributed by Mario Carneiro, 11-Mar-2014) (Revised by Mario Carneiro, 21-May-2014)

Ref Expression
Assertion pcbc ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt ( N K) = ∑ k = 1 N N P k − N − K P k + K P k

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 simp3 ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P ∈ ℙ
2 nnnn0 ⊢ N ∈ ℕ → N ∈ ℕ 0
3 2 3ad2ant1 ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ∈ ℕ 0
4 3 faccld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ! ∈ ℕ
5 4 nnzd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ! ∈ ℤ
6 4 nnne0d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ! ≠ 0
7 fznn0sub ⊢ K ∈ 0 … N → N − K ∈ ℕ 0
8 7 3ad2ant2 ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N − K ∈ ℕ 0
9 8 faccld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N − K ! ∈ ℕ
10 elfznn0 ⊢ K ∈ 0 … N → K ∈ ℕ 0
11 10 3ad2ant2 ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → K ∈ ℕ 0
12 11 faccld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → K ! ∈ ℕ
13 9 12 nnmulcld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N − K ! ⁢ K ! ∈ ℕ
14 pcdiv ⊢ P ∈ ℙ ∧ N ! ∈ ℤ ∧ N ! ≠ 0 ∧ N − K ! ⁢ K ! ∈ ℕ → P pCnt N ! N − K ! ⁢ K ! = P pCnt N ! − P pCnt N − K ! ⁢ K !
15 1 5 6 13 14 syl121anc ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N ! N − K ! ⁢ K ! = P pCnt N ! − P pCnt N − K ! ⁢ K !
16 bcval2 ⊢ K ∈ 0 … N → ( N K) = N ! N − K ! ⁢ K !
17 16 3ad2ant2 ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → ( N K) = N ! N − K ! ⁢ K !
18 17 oveq2d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt ( N K) = P pCnt N ! N − K ! ⁢ K !
19 fzfid ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → 1 … N ∈ Fin
20 nnre ⊢ N ∈ ℕ → N ∈ ℝ
21 20 3ad2ant1 ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ∈ ℝ
22 21 adantr ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N ∈ ℝ
23 simpl3 ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → P ∈ ℙ
24 prmnn ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℕ
25 23 24 syl ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → P ∈ ℕ
26 elfznn ⊢ k ∈ 1 … N → k ∈ ℕ
27 26 nnnn0d ⊢ k ∈ 1 … N → k ∈ ℕ 0
28 27 adantl ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → k ∈ ℕ 0
29 25 28 nnexpcld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → P k ∈ ℕ
30 22 29 nndivred ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N P k ∈ ℝ
31 30 flcld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N P k ∈ ℤ
32 31 zcnd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N P k ∈ ℂ
33 11 nn0red ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → K ∈ ℝ
34 21 33 resubcld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N − K ∈ ℝ
35 34 adantr ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N − K ∈ ℝ
36 35 29 nndivred ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N − K P k ∈ ℝ
37 36 flcld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N − K P k ∈ ℤ
38 37 zcnd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N − K P k ∈ ℂ
39 33 adantr ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → K ∈ ℝ
40 39 29 nndivred ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → K P k ∈ ℝ
41 40 flcld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → K P k ∈ ℤ
42 41 zcnd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → K P k ∈ ℂ
43 38 42 addcld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ ∧ k ∈ 1 … N → N − K P k + K P k ∈ ℂ
44 19 32 43 fsumsub ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → ∑ k = 1 N N P k − N − K P k + K P k = ∑ k = 1 N N P k − ∑ k = 1 N N − K P k + K P k
45 3 nn0zd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ∈ ℤ
46 uzid ⊢ N ∈ ℤ → N ∈ ℤ ≥ N
47 45 46 syl ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ∈ ℤ ≥ N
48 pcfac ⊢ N ∈ ℕ 0 ∧ N ∈ ℤ ≥ N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N ! = ∑ k = 1 N N P k
49 3 47 1 48 syl3anc ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N ! = ∑ k = 1 N N P k
50 11 nn0ge0d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → 0 ≤ K
51 21 33 subge02d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → 0 ≤ K ↔ N − K ≤ N
52 50 51 mpbid ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N − K ≤ N
53 11 nn0zd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → K ∈ ℤ
54 45 53 zsubcld ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N − K ∈ ℤ
55 eluz ⊢ N − K ∈ ℤ ∧ N ∈ ℤ → N ∈ ℤ ≥ N − K ↔ N − K ≤ N
56 54 45 55 syl2anc ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ∈ ℤ ≥ N − K ↔ N − K ≤ N
57 52 56 mpbird ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ∈ ℤ ≥ N − K
58 pcfac ⊢ N − K ∈ ℕ 0 ∧ N ∈ ℤ ≥ N − K ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N − K ! = ∑ k = 1 N N − K P k
59 8 57 1 58 syl3anc ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N − K ! = ∑ k = 1 N N − K P k
60 elfzuz3 ⊢ K ∈ 0 … N → N ∈ ℤ ≥ K
61 60 3ad2ant2 ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N ∈ ℤ ≥ K
62 pcfac ⊢ K ∈ ℕ 0 ∧ N ∈ ℤ ≥ K ∧ P ∈ ℙ → P pCnt K ! = ∑ k = 1 N K P k
63 11 61 1 62 syl3anc ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt K ! = ∑ k = 1 N K P k
64 59 63 oveq12d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N − K ! + P pCnt K ! = ∑ k = 1 N N − K P k + ∑ k = 1 N K P k
65 9 nnzd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N − K ! ∈ ℤ
66 9 nnne0d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → N − K ! ≠ 0
67 12 nnzd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → K ! ∈ ℤ
68 12 nnne0d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → K ! ≠ 0
69 pcmul ⊢ P ∈ ℙ ∧ N − K ! ∈ ℤ ∧ N − K ! ≠ 0 ∧ K ! ∈ ℤ ∧ K ! ≠ 0 → P pCnt N − K ! ⁢ K ! = P pCnt N − K ! + P pCnt K !
70 1 65 66 67 68 69 syl122anc ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N − K ! ⁢ K ! = P pCnt N − K ! + P pCnt K !
71 19 38 42 fsumadd ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → ∑ k = 1 N N − K P k + K P k = ∑ k = 1 N N − K P k + ∑ k = 1 N K P k
72 64 70 71 3eqtr4d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N − K ! ⁢ K ! = ∑ k = 1 N N − K P k + K P k
73 49 72 oveq12d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt N ! − P pCnt N − K ! ⁢ K ! = ∑ k = 1 N N P k − ∑ k = 1 N N − K P k + K P k
74 44 73 eqtr4d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → ∑ k = 1 N N P k − N − K P k + K P k = P pCnt N ! − P pCnt N − K ! ⁢ K !
75 15 18 74 3eqtr4d ⊢ N ∈ ℕ ∧ K ∈ 0 … N ∧ P ∈ ℙ → P pCnt ( N K) = ∑ k = 1 N N P k − N − K P k + K P k