Theorem cvgratnn 11784

Description: Ratio test for convergence of a complex infinite series. If the ratio 𝐴 of the absolute values of successive terms in an infinite sequence 𝐹 is less than 1 for all terms, then the infinite sum of the terms of 𝐹 converges to a complex number. Although this theorem is similar to cvgratz 11785 and cvgratgt0 11786, the decision to index starting at one is not merely cosmetic, as proving convergence using climcvg1n 11603 is sensitive to how a sequence is indexed. (Contributed by NM, 26-Apr-2005.) (Revised by Jim Kingdon, 12-Nov-2022.)

Hypotheses

Ref	Expression
cvgratnn.3	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℝ)
cvgratnn.4	⊢ (𝜑 → 𝐴 < 1)
cvgratnn.gt0	⊢ (𝜑 → 0 < 𝐴)
cvgratnn.6	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑘) ∈ ℂ)
cvgratnn.7	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (abs‘(𝐹‘(𝑘 + 1))) ≤ (𝐴 · (abs‘(𝐹‘𝑘))))

Assertion

Ref	Expression
cvgratnn	⊢ (𝜑 → seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ )

Distinct variable groups:   𝐴,𝑘   𝑘,𝐹   𝜑,𝑘

Proof of Theorem cvgratnn

Dummy variables 𝑛 𝑚 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nnuz 9683	. . 3 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
2		1zzd 9398	. . 3 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℤ)
3		cvgratnn.6	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑘) ∈ ℂ)
4	1, 2, 3	serf 10626	. 2 ⊢ (𝜑 → seq1( + , 𝐹):ℕ⟶ℂ)
5		cvgratnn.3	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℝ)
6		cvgratnn.gt0	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 0 < 𝐴)
7	5, 6	elrpd 9814	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℝ+)
8	7	rprecred 9829	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (1 / 𝐴) ∈ ℝ)
9		1red 8086	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℝ)
10	8, 9	resubcld 8452	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((1 / 𝐴) − 1) ∈ ℝ)
11		cvgratnn.4	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐴 < 1)
12	7	reclt1d 9831	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝐴 < 1 ↔ 1 < (1 / 𝐴)))
13	11, 12	mpbid 147	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 1 < (1 / 𝐴))
14	9, 8	posdifd 8604	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (1 < (1 / 𝐴) ↔ 0 < ((1 / 𝐴) − 1)))
15	13, 14	mpbid 147	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 0 < ((1 / 𝐴) − 1))
16	10, 15	elrpd 9814	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ((1 / 𝐴) − 1) ∈ ℝ+)
17	16	rpreccld 9828	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1 / ((1 / 𝐴) − 1)) ∈ ℝ+)
18	17, 7	rpdivcld 9835	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) ∈ ℝ+)
19		fveq2 5575	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 = 1 → (𝐹‘𝑘) = (𝐹‘1))
20	19	eleq1d 2273	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 = 1 → ((𝐹‘𝑘) ∈ ℂ ↔ (𝐹‘1) ∈ ℂ))
21	3	ralrimiva 2578	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ∀𝑘 ∈ ℕ (𝐹‘𝑘) ∈ ℂ)
22		1nn 9046	. . . . . . . 8 ⊢ 1 ∈ ℕ
23	22	a1i 9	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℕ)
24	20, 21, 23	rspcdva 2881	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘1) ∈ ℂ)
25	24	abscld 11434	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (abs‘(𝐹‘1)) ∈ ℝ)
26	24	absge0d 11437	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 0 ≤ (abs‘(𝐹‘1)))
27	25, 26	ge0p1rpd 9848	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((abs‘(𝐹‘1)) + 1) ∈ ℝ+)
28	18, 27	rpmulcld 9834	. . 3 ⊢ (𝜑 → (((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) · ((abs‘(𝐹‘1)) + 1)) ∈ ℝ+)
29	9, 5	resubcld 8452	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1 − 𝐴) ∈ ℝ)
30	5, 9	posdifd 8604	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐴 < 1 ↔ 0 < (1 − 𝐴)))
31	11, 30	mpbid 147	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 0 < (1 − 𝐴))
32	29, 31	elrpd 9814	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (1 − 𝐴) ∈ ℝ+)
33	7, 32	rpdivcld 9835	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 / (1 − 𝐴)) ∈ ℝ+)
34	28, 33	rpmulcld 9834	. 2 ⊢ (𝜑 → ((((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) · ((abs‘(𝐹‘1)) + 1)) · (𝐴 / (1 − 𝐴))) ∈ ℝ+)
35	5	adantr 276	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 𝐴 ∈ ℝ)
36	11	adantr 276	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 𝐴 < 1)
37	6	adantr 276	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 0 < 𝐴)
38	3	adantlr 477	. . . 4 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑘) ∈ ℂ)
39		cvgratnn.7	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (abs‘(𝐹‘(𝑘 + 1))) ≤ (𝐴 · (abs‘(𝐹‘𝑘))))
40	39	adantlr 477	. . . 4 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (abs‘(𝐹‘(𝑘 + 1))) ≤ (𝐴 · (abs‘(𝐹‘𝑘))))
41		simprl 529	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 𝑚 ∈ ℕ)
42		simprr 531	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))
43	35, 36, 37, 38, 40, 41, 42	cvgratnnlemrate 11783	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → (abs‘((seq1( + , 𝐹)‘𝑛) − (seq1( + , 𝐹)‘𝑚))) < (((((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) · ((abs‘(𝐹‘1)) + 1)) · (𝐴 / (1 − 𝐴))) / 𝑚))
44	43	ralrimivva 2587	. 2 ⊢ (𝜑 → ∀𝑚 ∈ ℕ ∀𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((seq1( + , 𝐹)‘𝑛) − (seq1( + , 𝐹)‘𝑚))) < (((((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) · ((abs‘(𝐹‘1)) + 1)) · (𝐴 / (1 − 𝐴))) / 𝑚))
45	4, 34, 44	climcvg1n 11603	1 ⊢ (𝜑 → seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ )

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 104   = wceq 1372   ∈ wcel 2175   class class class wbr 4043  dom cdm 4674  ‘cfv 5270  (class class class)co 5943  ℂcc 7922  ℝcr 7923  0cc0 7924  1c1 7925   + caddc 7927   · cmul 7929   < clt 8106   ≤ cle 8107   − cmin 8242   / cdiv 8744  ℕcn 9035  ℤ_≥cuz 9647  seqcseq 10590  abscabs 11250   ⇝ cli 11531

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 615  ax-in2 616  ax-io 710  ax-5 1469  ax-7 1470  ax-gen 1471  ax-ie1 1515  ax-ie2 1516  ax-8 1526  ax-10 1527  ax-11 1528  ax-i12 1529  ax-bndl 1531  ax-4 1532  ax-17 1548  ax-i9 1552  ax-ial 1556  ax-i5r 1557  ax-13 2177  ax-14 2178  ax-ext 2186  ax-coll 4158  ax-sep 4161  ax-nul 4169  ax-pow 4217  ax-pr 4252  ax-un 4479  ax-setind 4584  ax-iinf 4635  ax-cnex 8015  ax-resscn 8016  ax-1cn 8017  ax-1re 8018  ax-icn 8019  ax-addcl 8020  ax-addrcl 8021  ax-mulcl 8022  ax-mulrcl 8023  ax-addcom 8024  ax-mulcom 8025  ax-addass 8026  ax-mulass 8027  ax-distr 8028  ax-i2m1 8029  ax-0lt1 8030  ax-1rid 8031  ax-0id 8032  ax-rnegex 8033  ax-precex 8034  ax-cnre 8035  ax-pre-ltirr 8036  ax-pre-ltwlin 8037  ax-pre-lttrn 8038  ax-pre-apti 8039  ax-pre-ltadd 8040  ax-pre-mulgt0 8041  ax-pre-mulext 8042  ax-arch 8043  ax-caucvg 8044

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 836  df-3or 981  df-3an 982  df-tru 1375  df-fal 1378  df-nf 1483  df-sb 1785  df-eu 2056  df-mo 2057  df-clab 2191  df-cleq 2197  df-clel 2200  df-nfc 2336  df-ne 2376  df-nel 2471  df-ral 2488  df-rex 2489  df-reu 2490  df-rmo 2491  df-rab 2492  df-v 2773  df-sbc 2998  df-csb 3093  df-dif 3167  df-un 3169  df-in 3171  df-ss 3178  df-nul 3460  df-if 3571  df-pw 3617  df-sn 3638  df-pr 3639  df-op 3641  df-uni 3850  df-int 3885  df-iun 3928  df-br 4044  df-opab 4105  df-mpt 4106  df-tr 4142  df-id 4339  df-po 4342  df-iso 4343  df-iord 4412  df-on 4414  df-ilim 4415  df-suc 4417  df-iom 4638  df-xp 4680  df-rel 4681  df-cnv 4682  df-co 4683  df-dm 4684  df-rn 4685  df-res 4686  df-ima 4687  df-iota 5231  df-fun 5272  df-fn 5273  df-f 5274  df-f1 5275  df-fo 5276  df-f1o 5277  df-fv 5278  df-isom 5279  df-riota 5898  df-ov 5946  df-oprab 5947  df-mpo 5948  df-1st 6225  df-2nd 6226  df-recs 6390  df-irdg 6455  df-frec 6476  df-1o 6501  df-oadd 6505  df-er 6619  df-en 6827  df-dom 6828  df-fin 6829  df-pnf 8108  df-mnf 8109  df-xr 8110  df-ltxr 8111  df-le 8112  df-sub 8244  df-neg 8245  df-reap 8647  df-ap 8654  df-div 8745  df-inn 9036  df-2 9094  df-3 9095  df-4 9096  df-n0 9295  df-z 9372  df-uz 9648  df-q 9740  df-rp 9775  df-ico 10015  df-fz 10130  df-fzo 10264  df-seqfrec 10591  df-exp 10682  df-ihash 10919  df-cj 11095  df-re 11096  df-im 11097  df-rsqrt 11251  df-abs 11252  df-clim 11532  df-sumdc 11607

This theorem is referenced by:  cvgratz  11785