Metamath Proof Explorer


Theorem stirling

Description: Stirling's approximation formula for n factorial. The proof follows two major steps: first it is proven that S and n factorial are asymptotically equivalent, up to an unknown constant. Then, using Wallis' formula for ฯ€ it is proven that the unknown constant is the square root of ฯ€ and then the exact Stirling's formula is established. This is Metamath 100 proof #90. (Contributed by Glauco Siliprandi, 29-Jun-2017)

Ref Expression
Hypothesis stirling.1 โŠข ๐‘† = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
Assertion stirling ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ‡ 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 stirling.1 โŠข ๐‘† = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( โˆš โ€˜ ( ( 2 ยท ฯ€ ) ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
2 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) )
3 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( log โ€˜ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ€˜ ๐‘› ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( log โ€˜ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ€˜ ๐‘› ) ) )
4 2 3 stirlinglem14 โŠข โˆƒ ๐‘ โˆˆ โ„+ ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ‡ ๐‘
5 nfv โŠข โ„ฒ ๐‘› ๐‘ โˆˆ โ„+
6 nfmpt1 โŠข โ„ฒ ๐‘› ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) )
7 nfcv โŠข โ„ฒ ๐‘› โ‡
8 nfcv โŠข โ„ฒ ๐‘› ๐‘
9 6 7 8 nfbr โŠข โ„ฒ ๐‘› ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ‡ ๐‘
10 5 9 nfan โŠข โ„ฒ ๐‘› ( ๐‘ โˆˆ โ„+ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ‡ ๐‘ )
11 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) )
12 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
13 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ( ( 2 โ†‘ ( 4 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) โ†‘ 4 ) ) / ( ( ! โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) โ†‘ 2 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ( ( 2 โ†‘ ( 4 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) โ†‘ 4 ) ) / ( ( ! โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) โ†‘ 2 ) ) / ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) )
14 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ€˜ ๐‘› ) โ†‘ 4 ) / ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ) โ€˜ ๐‘› ) โ†‘ 2 ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ€˜ ๐‘› ) โ†‘ 4 ) / ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ) โ€˜ ๐‘› ) โ†‘ 2 ) ) )
15 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ 2 ) / ( ๐‘› ยท ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ 2 ) / ( ๐‘› ยท ( ( 2 ยท ๐‘› ) + 1 ) ) ) )
16 simpl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„+ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ‡ ๐‘ ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„+ )
17 simpr โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„+ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ‡ ๐‘ ) โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ‡ ๐‘ )
18 10 1 2 11 12 13 14 15 16 17 stirlinglem15 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„+ โˆง ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ‡ ๐‘ ) โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ‡ 1 )
19 18 rexlimiva โŠข ( โˆƒ ๐‘ โˆˆ โ„+ ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ( โˆš โ€˜ ( 2 ยท ๐‘› ) ) ยท ( ( ๐‘› / e ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) ) โ‡ ๐‘ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ‡ 1 )
20 4 19 ax-mp โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ! โ€˜ ๐‘› ) / ( ๐‘† โ€˜ ๐‘› ) ) ) โ‡ 1