Theorem geolim2 11281

Description: The partial sums in the geometric series A ^ M + A ^ ( M + 1 )... converge to ( ( A ^ M ) / ( 1 - A ) ). (Contributed by NM, 6-Jun-2006.) (Revised by Mario Carneiro, 26-Apr-2014.)

Hypotheses

Ref	Expression
geolim.1	|- ( ph -> A e. CC )
geolim.2	|- ( ph -> ( abs ` A ) < 1 )
geolim2.3	|- ( ph -> M e. NN0 )
geolim2.4	|- ( ( ph /\ k e. ( ZZ>= ` M ) ) -> ( F ` k ) = ( A ^ k ) )

Assertion

Ref	Expression
geolim2	|- ( ph -> seq M ( + , F ) ~~> ( ( A ^ M ) / ( 1 - A ) ) )

Distinct variable groups:   A, k   k, F   k, M   ph, k

Proof of Theorem geolim2

Dummy variables j n x y are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		eqid 2139	. . 3 |- ( ZZ>= ` M ) = ( ZZ>= ` M )
2		geolim2.3	. . . 4 |- ( ph -> M e. NN0 )
3	2	nn0zd 9171	. . 3 |- ( ph -> M e. ZZ )
4		geolim2.4	. . 3 |- ( ( ph /\ k e. ( ZZ>= ` M ) ) -> ( F ` k ) = ( A ^ k ) )
5		geolim.1	. . . . 5 |- ( ph -> A e. CC )
6	5	adantr 274	. . . 4 |- ( ( ph /\ k e. ( ZZ>= ` M ) ) -> A e. CC )
7		eluznn0 9393	. . . . 5 |- ( ( M e. NN0 /\ k e. ( ZZ>= ` M ) ) -> k e. NN0 )
8	2, 7	sylan 281	. . . 4 |- ( ( ph /\ k e. ( ZZ>= ` M ) ) -> k e. NN0 )
9	6, 8	expcld 10424	. . 3 |- ( ( ph /\ k e. ( ZZ>= ` M ) ) -> ( A ^ k ) e. CC )
10		eluzelz 9335	. . . . . . . . 9 |- ( x e. ( ZZ>= ` M ) -> x e. ZZ )
11	10	adantl 275	. . . . . . . 8 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> x e. ZZ )
12		0red 7767	. . . . . . . . 9 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> 0 e. RR )
13	3	adantr 274	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> M e. ZZ )
14	13	zred 9173	. . . . . . . . 9 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> M e. RR )
15	11	zred 9173	. . . . . . . . 9 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> x e. RR )
16	2	nn0ge0d 9033	. . . . . . . . . 10 |- ( ph -> 0 <_ M )
17	16	adantr 274	. . . . . . . . 9 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> 0 <_ M )
18		eluzle 9338	. . . . . . . . . 10 |- ( x e. ( ZZ>= ` M ) -> M <_ x )
19	18	adantl 275	. . . . . . . . 9 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> M <_ x )
20	12, 14, 15, 17, 19	letrd 7886	. . . . . . . 8 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> 0 <_ x )
21		elnn0z 9067	. . . . . . . 8 |- ( x e. NN0 <-> ( x e. ZZ /\ 0 <_ x ) )
22	11, 20, 21	sylanbrc 413	. . . . . . 7 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> x e. NN0 )
23	5	adantr 274	. . . . . . . 8 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> A e. CC )
24	23, 22	expcld 10424	. . . . . . 7 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> ( A ^ x ) e. CC )
25		oveq2 5782	. . . . . . . 8 |- ( n = x -> ( A ^ n ) = ( A ^ x ) )
26		eqid 2139	. . . . . . . 8 |- ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) = ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) )
27	25, 26	fvmptg 5497	. . . . . . 7 |- ( ( x e. NN0 /\ ( A ^ x ) e. CC ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` x ) = ( A ^ x ) )
28	22, 24, 27	syl2anc 408	. . . . . 6 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` x ) = ( A ^ x ) )
29	28, 24	eqeltrd 2216	. . . . 5 |- ( ( ph /\ x e. ( ZZ>= ` M ) ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` x ) e. CC )
30		oveq2 5782	. . . . . . . 8 |- ( n = k -> ( A ^ n ) = ( A ^ k ) )
31	30, 26	fvmptg 5497	. . . . . . 7 |- ( ( k e. NN0 /\ ( A ^ k ) e. CC ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` k ) = ( A ^ k ) )
32	8, 9, 31	syl2anc 408	. . . . . 6 |- ( ( ph /\ k e. ( ZZ>= ` M ) ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` k ) = ( A ^ k ) )
33	32, 4	eqtr4d 2175	. . . . 5 |- ( ( ph /\ k e. ( ZZ>= ` M ) ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` k ) = ( F ` k ) )
34		addcl 7745	. . . . . 6 |- ( ( x e. CC /\ y e. CC ) -> ( x + y ) e. CC )
35	34	adantl 275	. . . . 5 |- ( ( ph /\ ( x e. CC /\ y e. CC ) ) -> ( x + y ) e. CC )
36	3, 29, 33, 35	seq3feq 10245	. . . 4 |- ( ph -> seq M ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) = seq M ( + , F ) )
37		seqex 10220	. . . . . 6 |- seq 0 ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) e. _V
38		ax-1cn 7713	. . . . . . . 8 |- 1 e. CC
39		subcl 7961	. . . . . . . 8 |- ( ( 1 e. CC /\ A e. CC ) -> ( 1 - A ) e. CC )
40	38, 5, 39	sylancr 410	. . . . . . 7 |- ( ph -> ( 1 - A ) e. CC )
41		1cnd 7782	. . . . . . . 8 |- ( ph -> 1 e. CC )
42		1red 7781	. . . . . . . . . 10 |- ( ph -> 1 e. RR )
43		geolim.2	. . . . . . . . . 10 |- ( ph -> ( abs ` A ) < 1 )
44	5, 42, 43	absltap 11278	. . . . . . . . 9 |- ( ph -> A # 1 )
45		apsym 8368	. . . . . . . . . 10 |- ( ( A e. CC /\ 1 e. CC ) -> ( A # 1 <-> 1 # A ) )
46	5, 41, 45	syl2anc 408	. . . . . . . . 9 |- ( ph -> ( A # 1 <-> 1 # A ) )
47	44, 46	mpbid 146	. . . . . . . 8 |- ( ph -> 1 # A )
48	41, 5, 47	subap0d 8406	. . . . . . 7 |- ( ph -> ( 1 - A ) # 0 )
49	40, 48	recclapd 8541	. . . . . 6 |- ( ph -> ( 1 / ( 1 - A ) ) e. CC )
50		simpr 109	. . . . . . . 8 |- ( ( ph /\ j e. NN0 ) -> j e. NN0 )
51	5	adantr 274	. . . . . . . . 9 |- ( ( ph /\ j e. NN0 ) -> A e. CC )
52	51, 50	expcld 10424	. . . . . . . 8 |- ( ( ph /\ j e. NN0 ) -> ( A ^ j ) e. CC )
53		oveq2 5782	. . . . . . . . 9 |- ( n = j -> ( A ^ n ) = ( A ^ j ) )
54	53, 26	fvmptg 5497	. . . . . . . 8 |- ( ( j e. NN0 /\ ( A ^ j ) e. CC ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` j ) = ( A ^ j ) )
55	50, 52, 54	syl2anc 408	. . . . . . 7 |- ( ( ph /\ j e. NN0 ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` j ) = ( A ^ j ) )
56	5, 43, 55	geolim 11280	. . . . . 6 |- ( ph -> seq 0 ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) ~~> ( 1 / ( 1 - A ) ) )
57		breldmg 4745	. . . . . 6 |- ( ( seq 0 ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) e. _V /\ ( 1 / ( 1 - A ) ) e. CC /\ seq 0 ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) ~~> ( 1 / ( 1 - A ) ) ) -> seq 0 ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) e. dom ~~> )
58	37, 49, 56, 57	mp3an2i 1320	. . . . 5 |- ( ph -> seq 0 ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) e. dom ~~> )
59		nn0uz 9360	. . . . . 6 |- NN0 = ( ZZ>= ` 0 )
60		expcl 10311	. . . . . . . 8 |- ( ( A e. CC /\ j e. NN0 ) -> ( A ^ j ) e. CC )
61	5, 60	sylan 281	. . . . . . 7 |- ( ( ph /\ j e. NN0 ) -> ( A ^ j ) e. CC )
62	55, 61	eqeltrd 2216	. . . . . 6 |- ( ( ph /\ j e. NN0 ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` j ) e. CC )
63	59, 2, 62	iserex 11108	. . . . 5 |- ( ph -> ( seq 0 ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) e. dom ~~> <-> seq M ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) e. dom ~~> ) )
64	58, 63	mpbid 146	. . . 4 |- ( ph -> seq M ( + , ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ) e. dom ~~> )
65	36, 64	eqeltrrd 2217	. . 3 |- ( ph -> seq M ( + , F ) e. dom ~~> )
66	1, 3, 4, 9, 65	isumclim2 11191	. 2 |- ( ph -> seq M ( + , F ) ~~> sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) )
67		simpr 109	. . . . . . . 8 |- ( ( ph /\ k e. NN0 ) -> k e. NN0 )
68	5	adantr 274	. . . . . . . . 9 |- ( ( ph /\ k e. NN0 ) -> A e. CC )
69	68, 67	expcld 10424	. . . . . . . 8 |- ( ( ph /\ k e. NN0 ) -> ( A ^ k ) e. CC )
70	67, 69, 31	syl2anc 408	. . . . . . 7 |- ( ( ph /\ k e. NN0 ) -> ( ( n e. NN0 |-> ( A ^ n ) ) ` k ) = ( A ^ k ) )
71		expcl 10311	. . . . . . . 8 |- ( ( A e. CC /\ k e. NN0 ) -> ( A ^ k ) e. CC )
72	5, 71	sylan 281	. . . . . . 7 |- ( ( ph /\ k e. NN0 ) -> ( A ^ k ) e. CC )
73	59, 1, 2, 70, 72, 58	isumsplit 11260	. . . . . 6 |- ( ph -> sum_ k e. NN0 ( A ^ k ) = ( sum_ k e. ( 0 ... ( M - 1 ) ) ( A ^ k ) + sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) ) )
74		0zd 9066	. . . . . . 7 |- ( ph -> 0 e. ZZ )
75	59, 74, 70, 72, 56	isumclim 11190	. . . . . 6 |- ( ph -> sum_ k e. NN0 ( A ^ k ) = ( 1 / ( 1 - A ) ) )
76	73, 75	eqtr3d 2174	. . . . 5 |- ( ph -> ( sum_ k e. ( 0 ... ( M - 1 ) ) ( A ^ k ) + sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) ) = ( 1 / ( 1 - A ) ) )
77	5, 44, 2	geoserap 11276	. . . . . 6 |- ( ph -> sum_ k e. ( 0 ... ( M - 1 ) ) ( A ^ k ) = ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) )
78	77	oveq1d 5789	. . . . 5 |- ( ph -> ( sum_ k e. ( 0 ... ( M - 1 ) ) ( A ^ k ) + sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) ) = ( ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) + sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) ) )
79	76, 78	eqtr3d 2174	. . . 4 |- ( ph -> ( 1 / ( 1 - A ) ) = ( ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) + sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) ) )
80	79	oveq1d 5789	. . 3 |- ( ph -> ( ( 1 / ( 1 - A ) ) - ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) ) = ( ( ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) + sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) ) - ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) ) )
81	5, 2	expcld 10424	. . . . . 6 |- ( ph -> ( A ^ M ) e. CC )
82		subcl 7961	. . . . . 6 |- ( ( 1 e. CC /\ ( A ^ M ) e. CC ) -> ( 1 - ( A ^ M ) ) e. CC )
83	38, 81, 82	sylancr 410	. . . . 5 |- ( ph -> ( 1 - ( A ^ M ) ) e. CC )
84	41, 83, 40, 48	divsubdirapd 8590	. . . 4 |- ( ph -> ( ( 1 - ( 1 - ( A ^ M ) ) ) / ( 1 - A ) ) = ( ( 1 / ( 1 - A ) ) - ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) ) )
85		nncan 7991	. . . . . 6 |- ( ( 1 e. CC /\ ( A ^ M ) e. CC ) -> ( 1 - ( 1 - ( A ^ M ) ) ) = ( A ^ M ) )
86	38, 81, 85	sylancr 410	. . . . 5 |- ( ph -> ( 1 - ( 1 - ( A ^ M ) ) ) = ( A ^ M ) )
87	86	oveq1d 5789	. . . 4 |- ( ph -> ( ( 1 - ( 1 - ( A ^ M ) ) ) / ( 1 - A ) ) = ( ( A ^ M ) / ( 1 - A ) ) )
88	84, 87	eqtr3d 2174	. . 3 |- ( ph -> ( ( 1 / ( 1 - A ) ) - ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) ) = ( ( A ^ M ) / ( 1 - A ) ) )
89	83, 40, 48	divclapd 8550	. . . 4 |- ( ph -> ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) e. CC )
90	1, 3, 32, 9, 64	isumcl 11194	. . . 4 |- ( ph -> sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) e. CC )
91	89, 90	pncan2d 8075	. . 3 |- ( ph -> ( ( ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) + sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) ) - ( ( 1 - ( A ^ M ) ) / ( 1 - A ) ) ) = sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) )
92	80, 88, 91	3eqtr3rd 2181	. 2 |- ( ph -> sum_ k e. ( ZZ>= ` M ) ( A ^ k ) = ( ( A ^ M ) / ( 1 - A ) ) )
93	66, 92	breqtrd 3954	1 |- ( ph -> seq M ( + , F ) ~~> ( ( A ^ M ) / ( 1 - A ) ) )

Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 103   <-> wb 104   = wceq 1331   e. wcel 1480   _Vcvv 2686   class class class wbr 3929   |-> cmpt 3989   dom cdm 4539   ` cfv 5123  (class class class)co 5774   CCcc 7618   0cc0 7620   1c1 7621   + caddc 7623   < clt 7800   <_ cle 7801   - cmin 7933   # cap 8343   / cdiv 8432   NN0cn0 8977   ZZcz 9054   ZZ>=cuz 9326   ...cfz 9790   seqcseq 10218   ^cexp 10292   abscabs 10769   ~~> cli 11047   sum_csu 11122

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 105  ax-ia2 106  ax-ia3 107  ax-in1 603  ax-in2 604  ax-io 698  ax-5 1423  ax-7 1424  ax-gen 1425  ax-ie1 1469  ax-ie2 1470  ax-8 1482  ax-10 1483  ax-11 1484  ax-i12 1485  ax-bndl 1486  ax-4 1487  ax-13 1491  ax-14 1492  ax-17 1506  ax-i9 1510  ax-ial 1514  ax-i5r 1515  ax-ext 2121  ax-coll 4043  ax-sep 4046  ax-nul 4054  ax-pow 4098  ax-pr 4131  ax-un 4355  ax-setind 4452  ax-iinf 4502  ax-cnex 7711  ax-resscn 7712  ax-1cn 7713  ax-1re 7714  ax-icn 7715  ax-addcl 7716  ax-addrcl 7717  ax-mulcl 7718  ax-mulrcl 7719  ax-addcom 7720  ax-mulcom 7721  ax-addass 7722  ax-mulass 7723  ax-distr 7724  ax-i2m1 7725  ax-0lt1 7726  ax-1rid 7727  ax-0id 7728  ax-rnegex 7729  ax-precex 7730  ax-cnre 7731  ax-pre-ltirr 7732  ax-pre-ltwlin 7733  ax-pre-lttrn 7734  ax-pre-apti 7735  ax-pre-ltadd 7736  ax-pre-mulgt0 7737  ax-pre-mulext 7738  ax-arch 7739  ax-caucvg 7740

This theorem depends on definitions:  df-bi 116  df-dc 820  df-3or 963  df-3an 964  df-tru 1334  df-fal 1337  df-nf 1437  df-sb 1736  df-eu 2002  df-mo 2003  df-clab 2126  df-cleq 2132  df-clel 2135  df-nfc 2270  df-ne 2309  df-nel 2404  df-ral 2421  df-rex 2422  df-reu 2423  df-rmo 2424  df-rab 2425  df-v 2688  df-sbc 2910  df-csb 3004  df-dif 3073  df-un 3075  df-in 3077  df-ss 3084  df-nul 3364  df-if 3475  df-pw 3512  df-sn 3533  df-pr 3534  df-op 3536  df-uni 3737  df-int 3772  df-iun 3815  df-br 3930  df-opab 3990  df-mpt 3991  df-tr 4027  df-id 4215  df-po 4218  df-iso 4219  df-iord 4288  df-on 4290  df-ilim 4291  df-suc 4293  df-iom 4505  df-xp 4545  df-rel 4546  df-cnv 4547  df-co 4548  df-dm 4549  df-rn 4550  df-res 4551  df-ima 4552  df-iota 5088  df-fun 5125  df-fn 5126  df-f 5127  df-f1 5128  df-fo 5129  df-f1o 5130  df-fv 5131  df-isom 5132  df-riota 5730  df-ov 5777  df-oprab 5778  df-mpo 5779  df-1st 6038  df-2nd 6039  df-recs 6202  df-irdg 6267  df-frec 6288  df-1o 6313  df-oadd 6317  df-er 6429  df-en 6635  df-dom 6636  df-fin 6637  df-pnf 7802  df-mnf 7803  df-xr 7804  df-ltxr 7805  df-le 7806  df-sub 7935  df-neg 7936  df-reap 8337  df-ap 8344  df-div 8433  df-inn 8721  df-2 8779  df-3 8780  df-4 8781  df-n0 8978  df-z 9055  df-uz 9327  df-q 9412  df-rp 9442  df-fz 9791  df-fzo 9920  df-seqfrec 10219  df-exp 10293  df-ihash 10522  df-cj 10614  df-re 10615  df-im 10616  df-rsqrt 10770  df-abs 10771  df-clim 11048  df-sumdc 11123

This theorem is referenced by:  geoisum1  11288  geoisum1c  11289  trilpolemisumle  13231